Phương pháp nguyên tử đánh dấu là một ứng dụng rộng rãi của hiện tượng phóng xạ. Phương pháp nguyên tử đánh dấu là cách thức theo dõi quá trình bằng cách đưa đồng vị phóng xạ vào trong hệ thống vận động của hệ, theo dõi đường đi của đồng vị phóng xạ bằng các thiết bị đo phóng xạ mà không cần dừng quá trình. Ví dụ như muốn theo dõi sự di chuyển của phosphorus (lân) trong một cái cây, người ta thường cho một ít lân phóng xạ P-32 vào phân lân thường (chứa chủ yếu P-31). Về mặt sinh lí thực vật thì hai đồng vị này hoàn toàn như nhau vì có các lớp electron như nhau nhưng đồng vị P-32 là phóng xạ nên dễ dàng theo dõi sự di chuyển của nó, cũng như toàn bộ quá trình dịch chuyển của phân lân nói chung. Các ứng dụng liên quan đến việc theo dõi dấu vết của đồng vị phóng xạ do đặc tính phóng xạ nên thường để lại vết trên đường đi và dễ phát hiện bằng các thiết bị hiện đại. Trong hóa học hữu cơ, việc đánh dấu nguyên tử giúp chúng ta xác định cơ chế phản ứng một cách chính xác. Ngoài ra trong việc nghiên cứu địa chất, phương pháp nguyên tử đánh dấu dùng để theo dõi sự di chuyển của nước mặt, nước ngầm, kiểm tra tốc độ thấm qua đê, đập, thăm dò dầu khí,…