钍（标准原子质量（英语：Standard atomic weight）：232.0377）有6种天然存在的同位素，但没有任何一种是稳定的。其中，232
Th最为稳定，半衰期长达140亿年（1.4×1010），比地球的年龄和普遍接受的宇宙年龄还要长。天然的钍元素样本几乎都是由这个同位素构成，因此，钍曾经被认为是单核素元素（英语：mononuclidic）（仅有一种稳定同位素的元素）。然而，2013年，发现深海中230
Th的含量较高，因此IUPAC将钍归类为双核素元素（英语：binuclidic）。由于天然钍元素样本中，232
Th和230
Th存在一定的比例，因此可以给出钍的标准原子质量（英语：Standard atomic weight），约为7002232037700000000♠232.0377。
目前已观测到的钍同位素中，最轻的为209
Th、最重的为238
Th。
许多钍同位素是锕系元素的裂变产物之一，其余锕系元素的裂变产物列出如下表，其中钍-232为当中半衰期十分长的一个核素：
钍-209是目前观测到的钍同位素中，最轻的核素。半衰期约3至7毫秒，并且观测到其会透过α衰变，衰变成镭-205。
钍-228是带138个中子的钍同位素。由于其位于在钍-232的分裂链中，因此曾被认为是新元素，并命名为“镭钍元素”（Radiothorium, Rt），其半衰期约为一年又十一个月（1.9116年），会透过阿法衰变，衰变成镭-206。有少数的钍-228会发生集团衰变（英语：Cluster decay），并衰变为氧-20和铅-208。此外，钍-228是铀-232的子体同位素（daughter isotope）。
钍-229是钍的放射性同位素之一，由90个质子和139个中子构成，半衰期约为7,340年。会透过阿尔法衰变，衰变成镭-207。钍-229是铀-223的衰变产物，其主要用途是生产医用同位素锕-225和铋-213。
加玛射线光谱显示钍-229具有核异构体——钍-229m，激发能量非常低。
钍-229m是钍-229的核异构体，为钍-229核的激发态，激发能量约为7.6电子伏特，半衰期约为70小时。钍-229m不会直接衰变成其他元素，而是会透过核异构转换衰变回基态的钍-229。
由于钍-229m激发能量约为7.6电子伏特，这是目前已知最低能量的核异构体，并且仅要波长在UV-C范围内的激光，就可以将钍-229激发为激发态——钍-229m。 此这种异构体可以用于高密度能量存储、精确的时钟、量子电脑的量子位元或测试化学环境对核衰变率的影响。
钍的同位素中，钍-230一度认为是另一个元素Ionium，元素名称是锿（Ionium），后来才发现也是钍的同位素，不过Ionium-thorium dating仍翻作锿钍定年法。现在“锿”为台湾对于第99号元素的中文翻译。
钍-231是钍的放射性同位素之一，由90个质子和141个中子构成，原子质量约为231.0363043 g/mol，半衰期约为25小时又三十分钟，是铀-235的衰变产物，且在地球上可以找到痕量的钍-231。
钍-231的衰变方式为贝他衰变，当它衰变时，它会发出β射线并衰变成镤-231，衰变能量约为0.39 MeV。而有一亿分之一的钍-231会发生阿尔法衰变，当它衰变时，它会射出α粒子（氦原子核）并衰变成镭-227。
钍-232是钍的同位素唯一一个原始核素（英语：Primordial nuclide），其占了天然钍元素的大部分，其余钍同位素仅以痕量存在铀和钍的短寿命衰变产物中 。钍-232会发生阿尔法衰变，但其半衰期十分长，长达140亿年（1.4×1010），比地球的年龄还长，甚至长于普遍接受的宇宙年龄。
钍-232的衰变方式共有四种，大部分会透过α衰变，衰变成镭-228；少部分会透过双β衰变，衰变成铀-232；有千亿分之一的钍-232会发生自发裂变；有三千六百亿分之一的钍-232会发生集团衰变（英语：Cluster decay），并分裂成镱-182、氖-26和氖-24。而其α衰变的衰变链终点为铅-208。这个衰变链除了钍-232之外，其余部分十分迅速：其中半衰期最长是镭-228，有5.75年、钍-228，1.91年、其余半衰期均不超过5天。
钍-232容易吸收中子，并转变成铀-233。由于铀-233是一种容易发生裂变的核素，因此钍-232是基础的钍燃料循环的增殖性材料。在含钍-232的二氧化钍悬浮液，曾做为X射线诊断中的造影剂，称为钍造影剂（英语：Thorotrast），但由于接受过钍造影剂（英语：Thorotrast）的患者有65%长了肝肿瘤，而导致钍造影剂（英语：Thorotrast）被弃用，现在钍-232被列为致癌物质。
钍-233（233Th）是钍的放射性同位素之一，由90个质子和143个中子构成，半衰期约为21.83分钟。会透过贝他衰变，衰变成镤-233（英语：protactinium-233）。
部分的钍同位素仅有理论研究，尚未被观测到。
钍-203是目前有理论研究的钍同位素中，最轻的核素，由90个质子和113个中子构成，目前不清楚半衰期与衰变方式，或根本无法存在。目前仅有关于其核壳层能皆数据的理论研究。
钍-208是目前钍同位素中，衰变资讯有理论研究的最轻核素。根据理论计算，钍-208的半衰期约为1.7毫秒，会发生α衰变或质子发射，其中质子发射的衰变能量理论计算值为1.76×103 keV、α衰变的衰变能量理论计算值为8.20×103 keV。
钍-275 是目前有理论研究的钍同位素中，最重的核素，由90个质子和185个中子构成，目前不清楚半衰期与衰变方式，或根本无法存在。目前仅有关于其核壳层能阶数据的理论研究。
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。
