放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线，（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为衰变能量。原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数小于83的元素（如锝）也具有放射性。而有趣的是，从原子序93开始一直到鉳元素有以下特性：原子序是偶数的，半衰期都特别长。由于偶数元素的原子核含有适当数量的质子和中子，因此形成有利的配置结构。〈即魔数〉对单一原子来说，放射性衰变依照量子力学是随机过程，无法预测特定一个原子是否会衰变。不过原子衰变的机率不会随着原子存在的时间长短而改变。对大量的原子而言，可以用量测衰变常数计算衰变速率及半衰期。其半衰期没有已知的时间上下限，范围可以到55个数量级。有许多种不同的放射性衰变。衰变或是能量的减少都会使有某种原子核的原子（父放射核素）转变为有另一种原子核的原子，或是其中子或质子的数量不同，称为子体核素。在一些衰变中，父放射核素和子体核素是不同的化学元素，因此衰变后产生了新的元素，这称为核嬗变。最早发现的衰变是α衰变、β衰变、γ衰变。α衰变是原子核放出α粒子（氦原子核），是最常见释放核子的衰变，不过原子核偶尔也会释放质子，或者释放其他特殊的核子（称为簇衰变（英语：Cluster decay））。β衰变是原子核释放电子（或正子）及微中子，会将质子转变为中子（或是将中子转变为质子） 。核子也可能捕获轨道上的电子，使质子转变为中子，这为电子捕获，上述的衰变都属于核嬗变。相反的，也有一些核衰变不会产生新的元素，受激态原子核的能量以伽马射线的方式释出，称为伽马衰变，或是将激发态原子核将能量转移至轨道电子上，轨道电子再脱离原子，称为内部转换（英语：Internal conversion）。若是核子中有大量高度受激的中子，有时会以中子发射的方式释放能量。另外一种核衰变是将原来的原子核变为二个或多个较小的原子核，称为自发性的核分裂，出现在大量的不稳定核子自发性的衰变时，一般也会释放伽马射线、中子或是其他粒子。地球上有28种化学元素具有放射性，其中有34种放射性同位素是在太阳系形成前就存在的。著名的例子像是铀和钍，但也包括在自然界中，半衰期长的同位素，例如钾-40。例如15种是半衰期短的同位素，像镭及氡，是由原始核素（英语：primordial nuclide）衰变后的产物，也有因为宇宙射线（英语：Cosmogenic nuclide）而产生的，像碳-14就是由宇宙射线撞击氮-14而产生。放射性同位素也可能是因为粒子加速器或核反应炉而人工合成，其中有650种的半衰期超过一小时，有数千种的半衰期更短。