铯（原子量：132.9054519(2)）铯有40个已知的同位素，连同钡与汞是拥有最多同位素的元素。目前已知的铯同位素原子量范围从112到151，其中只有铯-133是稳定的。寿命最长的放射性铯是铯-135，半衰期有230万年。其次是铯-137，半衰期约30年，以及铯-134有两年的半衰期，其他的同位素半衰期皆低于两周，大部分的都在一小时以下。其中一些同位素在年老的恒星中由较轻的元素通过捕获慢中子（S-过程）合成，也可以在超新星爆发的过程R-过程中合成
天然的铯元素中一般来说仅存在铯-133同位素，但环境中仍然存在着微量的铯-137与铯-134，它们几乎都是在1940年代至1960年代的核试爆及某些核事故中释放出来的。历史上曾造成铯-137释放进入环境中的著名案例包括如切尔诺贝利核事故等。2011年3月11日，日本的福岛第一核电站事故事件发生时，也曾发现它的存在。2011年7月，从福岛县运往东京的11头牛也被检测出1,530到3,200Bq/kg的铯-137，这已严重超出日本规定的500Bq/kg容许值。
铯-133是铯的同位素之一，为铯的同位素中，唯一稳定的核素，同时也是天然铯元素中能找的唯一一种核素，因此，铯-133的丰度为100%。铯-133也可以通过在核反应堆中的核裂变产生。尽管其原子核自旋量子数较大（7/2+），可以在其共振频率11.7 MHz处对该同位素进行核磁共振的研究。
自从1967年，国际单位制基于铯的性质定义了其时间单位，也就是秒。国际单位制将一秒定义为不受外场干扰的铯-133的原子基态的两个超精细结构能阶间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。1955年，第一个精确的铯原子钟由路易斯·艾森在英国国家物理实验室建成。在过去的半个多世纪中，人们不停的改进铯原子钟，并且使用它作为标准时间和频率测量的基准。这些钟测量频率的精度为2-3×10-14，相当于时间测量的精度为每天2纳秒，或者140万年1秒。目前最先进的铯原子钟的精度超过了10-15，这意味着从6600万年前恐龙灭绝的时代起其误差仅为2秒钟，被认为是“人类目前所达到的最精确的单位实现”。
铯-137是铯的放射性同位素之一，半衰期约为30.17年。大约95%通过贝塔衰变为barium-137m1 (137m1Ba, Ba-137m1). 其他约5%直接衰变为稳定的钡-137. Ba-137m1的半衰期为153秒，并放出伽玛射线（这是铯-137放射源的全部伽玛射线来源）。1克铯-137的放射性活度为3.215 terabecquerel (TBq).
铯-137在工业应用中是一种非常常见的作为伽玛射线发射源的同位素。其优势在于它的半衰期大约30年，可以通过核燃料循环获得，并且其最终产物钡-137是一种稳定的同位素。其较高的水溶性是其缺点，使得它无法用在用于食品和医疗用品的大型池式辐射器中。铯-137已经被用在农业、癌症治疗、食品消毒、污水污泥处理以及外科手术设备中。。铯的放射性同位素可以用在放射线疗法中针对某些癌症治疗，然而由于目前已经有了更好的替代品，且放射源中易溶于水的氯化铯可能造成大范围污染，放疗中逐渐不再采用铯放射源。在许多工业测量计中都采用了铯-137，包括湿度计、密度计、水平仪以及厚度计。测井设备中也会使用铯-137来测量与岩层中的电子密度。
铯-137也用于水文学研究中。铯是核裂变反应的产物。自从大约1945年核试验开始，一直到20世纪80年代中期，铯137被释放进入大气层，然后立即被吸收入水溶液中。那个时期的年度变化与土壤和沉积层有相关性。铯-134以及含量更少的铯-135也用于水文学研究作为核电工业中产生的铯的度量。这两种同位素不像铯-133或者铯-137那样常见，而且仅能通过人为过程产生。
备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。
