氙（Xe，原子量：131.293(6)）的同位素，其中有5个稳定同位素和2个观测上稳定的同位素，这7种同位素都可以在天然的氙元素中找到，是所有元素中，稳定元素第二多的元素。除这些稳定同位素之外，氙还有40多种不稳定同位素。其中寿命最长的为124Xe，它会进行双β衰变，半衰期为2.11×1021年。氙同位素的相对比例对研究太阳系早期历史有重要的作用。
在自然存在的氙元素中存在9种不同的氙同位素，其中有5个稳定同位素、2个观测上稳定的同位素和2个极微弱放射性同位素。由于134Xe根据预测能够进行双重β衰变，但这未经实验证明，因此该同位素仍被认为是稳定的。氙是自然存在稳定同位素第二多的元素，最多的是锡，其共有7个稳定同位素和3个观测上稳定的同位素。稳定同位素数量高于7个的元素只有锡。
在自然存在的氙同位素中，丰度最高的是氙-132，占26.9%、其次为氙-129，占26.4%、再来是氙-131，占21.2%、以及氙-134，占10.4%、还有氙-136，占8.86%，其余丰度皆在5%以下，包括氙-130（丰度：4.07%）、氙-128（丰度：1.91%）、氙-124（丰度：0.095%）以及氙-126（丰度：0.089%），其中氙-136和氙-124有微弱的放射性，前者会经由双重β衰变衰变成钡-136，半衰期约2×1021年，后者会经由双电子俘获衰变成碲-124，半衰期约1.8×1022年。
能够形成氙的自然过程包括：超新星爆炸，红巨星用尽氢燃料进入渐近巨星分支后的慢中子捕获过程（s-过程），一般新星爆炸，以及碘、铀和钚等元素的放射性衰变。
氙-124是一种自然存在的氙放射性同位素之一，在天然氙元素中第二少的同位素，丰度约为0.095%。最少的是氙-126，丰度约只有0.089%。124Xe能够进行双电子俘获衰变成碲-124，半衰期约1.8×1022年。
氙-129是氙的稳定同位素之一，丰度约为26.4%，是天然氙元素中第二多的同位素。最多的是氙-132，丰度约为26.9%。
氙-129是碘-129（英语：Iodine-129）的衰变产物，半衰期约为1.57×107年，由于太阳系形成早期的碘-129几乎都衰变成氙-129了，因此有时会称碘-129（英语：Iodine-129）是一种已灭绝的天然放射性同位素，也因此，氙-129的比例对研究太阳系早期历史有重要的作用。
氙-129有两种核同质异能素，其中基态的氙-129质量为128.9047794，质量欠缺为-88.6960MeV，具有自旋1/2，由于129Xe原子核的自旋为1/2，所以其电四极矩为零，故129Xe核在与其他原子撞击时，不会有任何四极相互作用。这使得它的超极化状态能够持续更长的时间，甚至在激光束关闭及碱气体在室温表面冷凝后，仍能保留该状态。129Xe的自旋极化在血液中能持续数秒，在气态下持续数小时，并在深度冷冻的固态下持续数天。
另外一种核同质异能素为氙-129m，激发能量为236.14 keV，但比基态的氙-129还不稳定，半衰期只有8天19时，会经由核异构转变衰变，跃迁回基态的氙-129，并释放γ射线光子。
在医学上，超极化的129Xe同位素在磁共振成像仪中更易检测，所以被用于研究包括肺在内的各种器官，例如肺内气体的流动。
氙-131是一种自然存在的氙同位素之一，在天然氙元素中排第三位，丰度约为21.2%，与前两个同位素氙-132、氙-129相当，约各占三分之一。
氙-131与氙-129都具有非零的固有角动量（自旋，可用于核磁共振）。利用圆极化光和铷气体，氙的核自旋对齐可以超越普通的极化。如此产生的自旋极化能够超过其最高可能值的50%，远远大于玻尔兹曼分布的平衡值（在室温下通常不超过最高值的0.001%）。这种非平衡态的自旋对齐是短暂的，称为超极化现象。对氙进行超极化的过程叫做光抽运（但不同于激光抽运）。
氙-131有一种核同质异能素激发能量为163.930 keV，半衰期不到12天，会经由核异构转变衰变，跃迁回基态的氙-131，并释放γ射线光子。
氙-134是一种自然存在的氙同位素之一，在天然氙元素中排第四位，丰度约为10.4%，是一种观测上稳定的同位素，即其根据预测能够进行双重β衰变，衰变成碲-134，半衰期约为11×1015年，但这未经实验证明，因此称为观测上稳定的同位素。
氙-136是一种自然存在的氙放射性同位素之一，在天然氙元素中第五多的同位素，丰度约为8.86%，具有微弱的放射性，会经由双重β衰变，衰变成钡-136。氙-136具有极长的半衰期2.165×1021年，其寿命已超过宇宙年龄。
氙有40多种不稳定的放射性同位素，其中寿命最长的为124Xe，它会进行双电子俘获衰变，半衰期为1.8×1022年。129I在β衰变后，会产生129Xe同位素。该反应的半衰期为1600万年。另外131mXe、133Xe、133mXe和135Xe都是235U和239Pu的核裂变产物，因此被用作探测核爆炸的发生。
氙-109是目前已发现最轻的氙同位素，虽然有些文献会提供氙-108的资料，但多半只有关于其质量欠缺或自旋的理论值。
氙-109的质量欠缺约为-45.92 MeV，半衰期约为13毫秒，会经由α衰变，衰变成碲-105，碲-105同样会经由α衰变，衰变成锡-101，但半衰期短得多，仅有0.62微秒。
氙-113是氙的放射性同位素之一，是氙的同位素中衰变时会有最多衰变方式的核素。氙-113的质量欠缺约为-62.2036 MeV，半衰期有2.74秒，其衰变时92.98%的氙-113经过正电子发射衰变成碘-113、7%的氙-113会释放出一个正电子和一个电微中子和一个质子衰变成碲-112、有0.011%的氙-113会发生α衰变，衰变成碲-109，其余的氙-113则会同时释放正电子及α粒子。
氙-123是氙的同位素中，唯一两种会进行电子俘获衰变的同位素之一，半衰期约为两小时，另外一种会进行电子俘获衰变的同位素是氙-127。
氙-127是氙的同位素中，唯一两种会进行电子俘获衰变的同位素中，稳定性最佳的同位素，比另外一种会进行电子俘获衰变的氙-123半衰期长，氙-127的半衰期超过一个月，约为36天，而氙-123半衰期约只有两小时。氙-127和氙-123同样拥有一种核同质异能素，同样是以氙-127较为稳定：127m
Xe半衰期为69秒，而123m
Xe仅有5微秒。
氙-133是氙的放射性同位素之一，会经由β衰变衰变成铯-133，半衰期约5天6小时，可以用于医疗用途中，在医疗药品中称为Xeneisol，解剖学治疗学及化学分类系统代码为V09EX03。氙-133是可以进行肺部成像的吸入评估肺功能的放射性同位素，它还可用于将血液流动成像，尤其是在大脑中，放射性同位素133Xe的伽马射线也可用来对心、肺和脑进行成像，例如单光子发射电脑摄影。133Xe也被用于测量血流。。此外，氙-133也是一种裂变产物。
氙-135是氙的放射性同位素之一，会经由β衰变衰变成铯-135，半衰期约9小时8分钟，可在核反应堆中对可以裂变物质进行中子照射产生。135Xe在核裂变反应堆中具有重要的作用。135Xe的热中子截面很高（2.6×106靶恩），因此可用作中子吸收剂或中子毒物，从而减慢或停止连锁反应。美国曼哈顿计划中用来产生钚元素的最早期反应堆就用到了氙的这一作用。135Xe在反应堆中作为中子毒物，对切尔诺贝尔核事故有着重要的影响。反应堆的关闭或功率的降低可以造成135Xe的积聚，使反应堆进入所谓的碘坑（或称氙坑）状态。氙-135是核反应堆中最重要的中子吸收剂，可通过碘-135的衰变产生。
氙-135有一种核同质异能素，135m
Xe，激发能量约为526.551 keV，但半衰期比基态的氙-135短得多，只有约15分钟。大部分的135m
Xe会经由核异构转变衰变，跃迁回基态的氙-135，只有少数的135m
Xe，约2万5千个135m
Xe中，只有1个135m
Xe会发生贝他衰变衰变成铯-135。
氙-148是目前已发现最重的氙同位素，半衰期约为408纳秒，会经由β衰变，衰变成铯-148，或发射一个中子跟电子，衰变成铯-147。
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。
