Litium (3Li) yang terbentuk secara alami terdiri dari dua isotop stabil, litium-6 dan litium-7, dengan yang terakhir jauh lebih melimpah di Bumi. Kedua isotop alami tersebut memiliki energi pengikatan inti per nukleon yang sangat rendah (5.332,3312(3) MeV untuk litium-6 dan 5.606,4401(6) MeV untuk litium-7) bila dibandingkan dengan unsur yang lebih ringan dan lebih berat yang berdekatan, helium (7.073,9156(4) MeV untuk helium-4) dan berilium (6.462,6693(85) MeV untuk berilium-9). Radioisotop litium yang berumur paling lama adalah litium-8, yang memiliki waktu paruh hanya 838,7(3) milidetik. Litium-9 memiliki waktu paruh 178,2(4) milidetik, dan litium-11 memiliki waktu paruh 8,75(6) milidetik. Semua isotop litium yang tersisa memiliki waktu paruh yang lebih pendek dari 10 nanodetik. Isotop litium yang berumur pendek yang diketahui adalah litium-4, yang meluruh melalui emisi proton dengan waktu paruh sekitar 91(9) yoktodetik (9,1(9)×10−23 detik), meskipun waktu paruh litium-3 belum ditentukan, dan kemungkinan akan jauh lebih pendek, seperti helium-2 (diproton) yang mengalami emisi proton dalam 10−9 detik.Litium-7 dan litium-6 adalah dua nuklida primordial yang diproduksi dalam Ledakan Dahsyat, dengan litium-7 menjadi 10−9 dari semua nuklida primordial, dan litium-6 sekitar 10−13.[2] Sebagian kecil lithium-6 juga diketahui dihasilkan oleh reaksi nuklir pada bintang-bintang tertentu. Isotop litium agak terpisah selama berbagai proses geologis, termasuk pembentukan mineral (presipitasi kimia dan pertukaran ion). Ion litium menggantikan magnesium atau besi di lokasi oktahedral tertentu pada tanah liat, dan litium-6 terkadang lebih disukai daripada litium-7. Hal ini menghasilkan beberapa pengayaan litium-6 dalam proses geologis.Litium-6 adalah isotop yang penting dalam fisika nuklir karena ketika ia dibombardir dengan neutron, maka tritium akan dihasilkan.