同位素效应（isotopic effect），是指同一元素的同位素原子（或分子）之间，由于质量或自旋等核性质的不同而造成理化和生物学性质出现差异的现象。
核电荷决定了元素的基本物理和化学性质，但同一元素不同同位素间的性质差异是存在的，还可能很大。 其中，由同位素质量差异引起的称为第一类同位素效应，由同位素核性质上的差异引起的称为第二类同位素效应（如磁同位素效应）。 根据控制机制（热力、动力）划分，同位素效应可分为热力学同位素效应和动力学同位素效应。 热力学同位素效应是指由同位素的存在引起平衡常数的差异，也称平衡同位素效应，与物理化学平衡系统相关联。 当分子中的某些原子用同位素取代时，反应速率可能会发生变化，即由同位素的存在引起反应速率上的差异，这种现象即为动力学同位素效应，与物理化学非平衡系统相关联。 同位素质量的相对差越大，同位素效应也越大。 在所有同位素中，氢的同位素效应最大。
同位素效应能够深入地揭示物质微观结构与性质之间的关系，是进行同位素分析、分离的基础，广泛应用于医学领域。 同位素效应在其他学科领域也存在影响，如光谱同位素效应、超导体同位素效应等。
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