El xenón (Xe) posee nueve isótopos estables. Se ha predicho que los isótopos ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe, ¹³⁴Xe y ¹³⁶Xe sufren doble desintegración beta esta ha sido observada en piscinas de ¹²⁴Xe para la detección de materia oscura, de manera que ya no se consideran isótopos estables.^[1]​^[2]​ El xenón es el segundo elemento químico con mayor número de isótopos estables, por detrás del estaño que posee diez.^[3]​ Aparte de estos isótopos estables, se han identificado más de cuarenta isótopos inestables e isómeros nucleares, de los cuales el ¹²⁷Xe es el de mayor período de semidesintegración (36,345 días). De los isómeros nucleares conocidos del xenón, el de mayor período de semidesintegración es el ^131mXe (11,934 días). El ¹²⁹Xe se produce por desintegración beta del ¹²⁹I (período de semidesintegración: 16 millones de años). Los isótopos ^131mXe, ¹³³Xe, ^133mXe y ¹³⁵Xe son algunos de los productos de fisión del ²³⁵U y del ²³⁹Pu, por lo que pueden emplearse como indicadores de explosiones nucleares.

El isótopo artificial ¹³⁵Xe ejerce un papel importante en la operatividad de los reactores de fisión nuclear. Este isótopo posee una sección eficaz grande para neutrones térmicos (2,65·10⁶ b), por lo que actúa como absorbente de neutrones o "veneno" capaz de ralentizar o detener la reacción en cadena tras un cierto período de funcionamiento. Este comportamiento fue descubierto durante el análisis del funcionamiento de los primeros reactores nucleares construidos en el Proyecto Manhattan para la producción de plutonio. El desarrollo de los reactores nucleares de fisión ha permitido introducir mejoras en su diseño que aumenten su reactividad y eviten la ralentización producida por el ¹³⁵Xe.

Las barras de combustible de los reactores nucleares pueden emitir gases de fisión en los que se suelen encontrar concentraciones relativamente altas de isótopos radiactivos de xenón. Estos gases también pueden producirse como consecuencia de la fisión del uranio en el agua de refrigeración de los reactores nucleares. Las concentraciones de estos radioisótopos son relativamente bajas comparadas con las concentraciones naturales de otros radioisótopos de los gases nobles, como el ²²²Rn.

Algunos isótopos del xenón se emplean como marcadores para detectar la presencia de otros isótopos relacionados con ellos. Por este motivo, el análisis isotópico de xenón en los meteoritos supone una interesante herramienta para el estudio de la formación del sistema solar. El método I-Xe de datación permite calcular el lapso de tiempo transcurrido entre la nucleosíntesis y la condensación de un objeto sólido en la nebulosa solar. El xenón, por ser un gas en condiciones normales, se encontrará presente dentro del sólido siempre que se forme después de la condensación. El estudio de los isótopos del xenón son una herramienta útil para la comprensión de la diferenciación terrestre. Se ha detectado un exceso de ¹²⁹Xe en gases emanados de pozos en Nuevo México que se cree que proceden de la desintegración de los gases procedentes del manto terrestre generado durante la formación del planeta.^[4]​

El xenón-133 (¹³³Xe, nombre comercial Xeneisol) es un isótopo del xenón. Se trata de un radionúclido que puede ser inhalado con fines médicos para evaluar la función respiratoria y para obtener imágenes de los pulmones. También se usa con frecuencia para monitorizar el flujo sanguíneo, particularmente en el cerebro. Este isótopo es un importante producto de fisión.

1. ↑ Abreviaturas:
   CE: Captura electrónica
   TI: Transición isomérica
   p: Emisión de protones
   n: Emisión de neutrones
   
2. ↑ En negrita los isótopos inestables
3. ↑ Se sospecha que sufre desintegración β⁺β⁺ para dar ¹²⁴Te con un período de semidesintegración superior a los 48·10¹⁵ años
4. ↑ Se sospecha que sufre una desintegración β⁺β⁺ para dar ¹²⁶Te
5. ↑ ^{a b c d e} Teóricamente es capaz de sufrir fisión espontánea
6. ↑ Se emplea en un método de datación radiométrica de aguas y para inferir ciertos eventos de la historia del Sistema Solar
7. ↑ ^{a b c d} Producto de fisión
8. ↑ Posee aplicaciones médicas
9. ↑ Se sospecha que sufre desintegración β^-β^- para dar ¹³⁴Ba con un período de semidesintegración superior a 11·10¹⁵ años
10. ↑ Es el absorbente de neutrones más potente que se conoce, se genera en centrales nucleares como producto de desintegración del ¹³⁵I, que a su vez es un producto de desintegración del ¹³⁵Te, un producto de fisión. Normalmente absorbe neutrones en entornos de alto flujo neutrónico para generar ¹³⁶Xe; para más información ver pozo de yodo.

• Las composiciones isotópicas están referidas al aire.
• Se conocen muestras geológicamente excepcionales en las que la composición isotópica muestra valores que se encuentran fuera del rango habitual. Para dichas muestras, la incertidumbre en la masa atómica puede ser superior al valor indicado.
• Los materiales disponibles comercialmente pueden estar sometidos a fraccionamientos isotópicos no especificados.
• Los valores marcados con # no han sido deducidos enteramente de valores experimentales, sino que se ha recurrido también a extrapolaciones sistemáticas. Los valores de espín que fueron asignados basándose en argumentos débiles se indican entre paréntesis.
• Las incertidumbres se expresan de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes. Los valores de incertidumbre se denotan como una desviación estándar, excepto en la composición isotópica y en la masa atómica estandarizada de la IUPAC que emplean incertidumbres expandidas.

• Masas isotópicas tomadas de Audi, G.; Wapstra, A. H.; Thibault, C. (2003). «The Ame2003 Atomic mass evaluation (II)». Nuclear Physics A 729: 337-676. Consultado el 5 de agosto de 2011. 
• Composiciones isotópicas y masas atómicas estandarizadas tomadas de:
  • de Laeter, J. R.; Böhlke, J. K.; de Bièvre, P.; Hidaka, H.; Peiser, H. S.; Rosman, K. J. R.; Taylor, P. D. P. (2003). «Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report)». Pure and Applied Chemistry 75 (6): 683-800. doi:10.1351/pac200375060683. Consultado el 5 de agosto de 2011. 
  • Wieser, M. E. (2006). «Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report)». Pure and Applied Chemistry 78 (11): 2051-2066. Consultado el 5 de agosto de 2011. 
• Datos de períodos de semidesintegración, espín e isómeros seleccionados de las siguientes fuentes:
  • Audi, G.; Wapstra, A. H.; Thibault, C.; Blachot, C.; Bersillon, O. (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3-128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Consultado el 5 de agosto de 2011. 
  • Brookhaven National Laboratory (ed.). «National Nuclear Data Center». Consultado el 5 de agosto de 2011. 
  • Holden, N. E. «11». CRC Handbook of chemistry and physics (85ª edición edición). ISBN 978-0849304859.  |fechaacceso= requiere |url= (ayuda)