两种同位素原子在两个不同分子或离子间或一个分子的不同位置上的化学交换，以及两种同位素分子在不同聚集态之间的交换。

同位素交换的类型

同位素交换反应类型主要分为三种：

（1）不同取代级的同位素分子间的歧化反应，例如：

（2）不同分子间的简单同位素交换反应，例如：

（3）复杂的同位素交换反应，在不同的分子间或不同的基团间发生同位素交换，而又有不同的同位素取代级。例如，D2O与甲苯之间的氘同位素交换中，水分子中的氘可以与甲基上的氢或苯环上的氢（又分邻、间、对位）发生同位素交换。

同位素交换反应是可逆的，并且和一般的化学反应一样，其反应进行的程度可用平衡常数来表示。这是等分子反应，而且反应前后化学组分不发生变化，仅同位素的浓度在各化学组分之间重新分配。

同位素交换的机理

同位素交换反应机理主要分为：

（1）电离机理，进行同位素交换的分子先解离成离子或自由基，在复合为分子时发生同位素的重新分配，例如：

（2）缔合机理，进行同位素交换反应的分子缔合，生成中间配合物。如果不同的同位素原子在此配合物中是等价的，并且是公用的，则中间配合物再分解时就产生同位素在两分子间的重新分配，例如：

同位素交换反应的速率与分子的结构有关，有的可以在瞬间完成，有的则需要在催化剂的作用下（或高温下）才能缓慢地进行。例如，甲酸中羧基上的氢与D2O在瞬间就交换了;而甲基上的氢在100℃时要经过几天才能交换10％。

同位素交换反应已用于揭示化学反应机理及分子结构和性质的研究中，还广泛用于轻元素的同位素分离中。