Studi tentang geokimia dari isotop-isotop stabil di sedimen dan struktur biologis yang terjadi secara alami. Isotop stabil adalah variasi atom dari unsur-unsur yang stabil selama jangka waktu yang lama, yang berarti tidak mengalami peluruhan radioaktif. Beberapa unsur, seperti oksigen dan karbon, memiliki beberapa bentuk yang stabil. Oksigen, misalnya, terbentuk di alam sebagai 16O dan 18O - kedua bentuk ini adalah isotop. Keduanya memiliki jumlah neutron yang berbeda (16O memiliki dua neutron lebih banyak daripada 18O), dan oleh karena itu lebih berat. Karena kedua isotop tersebut memiliki massa yang berbeda, reaksi kimia dan reaksi fisika seperti ikatan, penguapan, dan pengendapan terjadi pada frekuensi yang berbeda. Rasio dari isotop-isotop stabil dipertahankan dalam senyawa kimia seperti air, es, dan kalsium karbonat dan memberi informasi mengenai kondisi lingkungan pada saat senyawa tersebut terbentuk. Sebagai contoh, rasio 18O / 16O dalam sebuah sampel es berhubungan dengan suhu air dari samudra zaman purba, yang pada gilirannya mencerminkan iklim zaman purba.