Le thallium (symbole Tl, numéro atomique 81) possède 37 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 176 et 212, et 42 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, seuls deux, 203Tl et 205Tl, sont stables[a] ; ils constituent la quasi-totalité du thallium naturel[b], dans un ratio 30/70. La masse atomique standard attribuée au thallium est de 204,383 3(2) u.
Parmi les 35 radioisotopes du thallium artificiels, ceux à la plus longue durée de vie sont 204Tl avec une demi-vie de 3,78 années, et 202Tl (12,23 jours). Parmi les radioisotopes naturels (issus de la chaîne désintégration d'isotopes de l'uranium ou du thorium), 207Tl a la plus longue demi-vie (4,77 minutes).
Les isotopes plus légers que 203Tl et de nombre de masse supérieurs à 181 se désintègrent principalement par émission de positron (β+), en isotopes du mercure, à l'exception de 201Tl qui se désintègre lui par capture électronique. Les isotopes plus légers se désintègrent eux soit par émission de proton, soit radioactivité α, ou encore partiellement par radioactivité α et partiellement par émission de positron, en isotopes du mercure ou de l'or. Les radioisotopes plus lourds que 203Tl se désintègrent eux principalement par désintégration β− en isotopes du plomb.
En état totalement ionisé, l'isotope 205Tl devient β-radioactif, se désintégrant en 205Pb[1], ce qui signifie que dans cet état, le thallium possède un seul isotope stable, 203Tl.
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