目前，公認的氫的同位素有三種，即氕或輕氫或氫（H）或（P），氘H或（D），氚或（T）.氫的同位素見表。由于氫氣幾乎全都是由H組成，所以最輕的同位素H的性質就是氫氣的性質，氘（H）的化學性質與H相似，但由于原子質量相差1倍，所以兩種同位素在反應速度等方面有較大差異。同位素氘是一種放射性同位素。

氘又稱重氫，是由一個質子、一個中子、一個圍繞核旋轉的電子組成，生成氘核需要幾百度的高溫。氘核能微弱吸收中子，并很快減慢中子的速度，因此重水是原子反應堆中中子的阻抑劑。氘有兩種同素異構體：正氘和仲氘。在室溫下，氘正-仲平衡比約為2。氘的正-仲平衡組成隨溫度變化的關系與輕氫的情況正好相反，即隨著溫度的降低，正-仲比增大。
氚是氫的超重同位素，在氫氣中的濃度約為4×10-15^-7×10^-12（原子）。轟擊氘的化合物生成氚.濃縮的重水能夠百萬倍地富集氚。
當溫度降到三相點以下時，氫就變成了固態，溫度比三相點高幾度時，可得到固氫和液氫的混合物，這種混合物是懸浮體，稱為雪狀氫。制取雪狀氫最普遍的方法是連續周期性地對液態氫抽真空。固態氫是由氫分子結晶形成，在極高壓力下，發生相變變為金屬氫。金屬氫具有高溫超導性，能貯存高于同質量液氫100倍以上的能量。
氫分子由兩個氫原子組成，所含電子旋轉方向相反，氫分子存在兩種同質異構體，即正氫和仲氫。正氫中兩個原子核自旋方向相同（同向自旋），仲氫的原子核旋轉方向相反（反向自旋）。
在室溫或高于室溫時，正-仲氫的平衡組成為75：25；溫度降低有利于形成仲氫，在液氫溫度（77.4K) 下正-仲氫的平衡組成為52：48，正常佛點(20.4K）時，正-仲氫的平衡組成為0.2：99.8。