放射性同位素（英语：radionuclide，radioactive nuclide 或 radioactive isotope），是指原子核不稳定、具有放射性的核素。每种元素的原子都有着很多种同位素，同种元素的同位素的原子序（即质子数）虽然相同，但是却有着不同的中子数。如果这种同位素的原子是具有放射性的话，它会被称为物理放射性核种或放射性同位素，例如氚（氢-3）、碳-14、钴-60和碘-131等。放射性同位素会进行放射性衰变，从而放射出伽玛射线和次原子粒子。若某元素的所有同位素都具有放射性，则该元素会被称为放射性元素，例如铀、镭和氡等。
化学家和生物学家将放射性同位素的技术应用在我们的食品、水和身体健康等事项上。不过他们也察觉到其危险性，因而制订使用的安全守则。有些放射性同位素是天然存在的，有些则是人工制造的，称为人造放射性同位素。
天然存在的放射性同位素主要是恒星的内部。例如铀，在星体内直接被形成。而当今仍然存在，是因为它们的半衰期的时间很长，而它们还没有完全衰变。放射产生的同位素，如碳-14，是由长期衰变得出的。(这个也是全部目前氦形成方法： 虽然它没有放射性，但是它容易逃离地球，因此氦被从地下仓库等地方获得。)
核反应堆和放射性同位素发电机的粒子加速器可人工制造放射性同位素。
放射性同位素生产核反应堆中的高流和大量的中子。 在核反应堆中，中子用来生激活放射性元素。 来自一个核反应堆的一种典型的生成物是铊（Tl）-201。
放射性同位素的用途主要有两个：利用它们的化学特性以及作为辐射的来源。放射性同位素已广泛使用在核医学、，农业、考古、商业、工业和太空探测。在食物的保存上，辐射可以阻止根块植物在收成之后发芽，杀除一些攀在植物上的寄生虫与害虫，还可以用来控制水果以及蔬菜的成熟度。
如果放射性同位素被释放到环境，透过一些事故、不良的处理或者其他方法，他们能潜在并引起有害的效应，放射性污染。如果过分地使用在医疗或生活应用上，也能导致危险，为放射性中毒。放射性同位素也能导致电器故障。
