自然界中的碳由兩個穩定同位素12C和13C組成，它們的豐度分別為98.89%和1.11%。碳同位素的組成以δ13C表示，天然物質中δ13C的分布範圍從天然氣甲烷的-90‰到碳質球粒隕石的+70‰，顯示了天然物質中δ13C的變化幅度可達160‰。
在碳酸鹽中，碳含量高，其同位素組成相對富集13C，δ13C平均為0‰。而沉積有機質中碳含量次之，其δ13C平均為-25‰。大氣、海洋、生物圈和土壤這些表生碳庫總的含碳量相對較少，其中大氣的δ13C平均為-7‰，海水的δ13C平均為0‰。
此外，碳同位素還涉及到碳循環及碳同位素演化，例如，植物光合作用優先吸收輕的12C，而生物的呼吸作用及分解氧化又會釋放輕的12C到海水及大氣圈中，這會影響海水碳酸鹽及沉積有機質的碳同位素組成。