ลิเทียมที่ปรากฏในธรรมชาตินั้น ประกอบด้วยไอโซโทปที่เสถียร 2 ตัว คือ Li-6 และ Li-7 โดยที่ Li-7 มีอยู่เป็นสัดส่วนที่สูงกว่ามาก (92.5%) สำหรับไอโซโทปกัมมันตรังสีอื่นๆ 7 ตัวนั้น ตัวที่เสถียรมากที่สุดคือ Li-8 ซึ่งมีค่าครึ่งชีวิต 838 มิลลิวินาที และ Li-9 มีค่าครึ่งชีวิต 178.3 มิลลิวินาที ส่วนไอโซโทปกัมมันตรังสีที่เหลือ มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 8.6 มิลลิวินาที สำหรับไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้นที่สุด คือ 4Li ซึ่งสลายไปโดยการปลดปล่อยโปรตอน และมีครึ่งชีวิตเพียง 7.58043x10-23 วินาที

ลิเทียม -7 นั้น นับเป็นธาตุเริ่มต้น (primordial elements) ที่เกิดขึ้นในช่วงบิกแบง (Big Bang nucleosynthesis) ไอโซโทปของลิเทียมจะแตกตัวอย่างชัดเจนในกระบวนการทางธรรมชาติที่หลากหลาย ได้แก่ การเกิดแร่ (การตกตะกอนทางเคมี) , เมตาบอลิซึม, การแลกเปลี่ยนไอออน (Li นั้นถูกใช้แทน แมกนีเซียม และ เหล็กในแร่ดินรูปทรงแปดหน้า, โดยที่ Li-6 นั้นมักพบได้มากกว่า Li-7) , การกรองแบบ hyperfiltration และการเปลี่ยนแปลงของหิน