作为一个群体，稀土元素的同位素总数丰富，从钪的24种到铈的42种不等，如果不计算核异构体，平均每种元素约35种。原子序数为奇数的元素只有一种或最多两种稳定(或寿命很长的)同位素，而原子序数为偶数的元素则有四到七种稳定同位素。钷没有任何稳定的同位素;钷-145的半衰期最长，为17.7年。有些不稳定同位素的放射性很弱，半衰期很长。产生不稳定放射性同位素的方法有很多，例如:通过裂变、中子轰击、邻近元素的放射性衰变以及带电粒子轰击邻近元素。核科学家对镧系同位素特别感兴趣，因为它们为检验有关原子核的理论提供了丰富的领域，特别是因为许多这些原子核是非球形的，这种性质对核的稳定性有决定性的影响。当质子或中子完成一个核壳层(即达到一定的固定值)时，原子核异常稳定;构成一个壳层所需的质子或中子数被称为幻数。中子有一个特殊的神奇数字——82——出现在镧系元素系列中。

几种镧系元素对热中子有较大的俘获截面;也就是说，它们每单位面积吸收大量的中子。天然存在的钐、铕、钆和镝的横截面值分别为5,600、4,300、49,000和1,100谷仓。因此，其中一些元素被纳入控制棒，用于调节核反应堆的运行(铕和镝)，或者在核反应堆失控时关闭它们(钆)。天然存在的铕原子每个原子吸收4.0个中子，镝原子吸收2.4个中子，钐原子吸收0.4个中子，钆原子吸收0.3个中子。这就是为什么在控制棒中使用的是铕和镝，而不是钐或钆。此外，镧系元素可用作可燃中子吸收剂，使反应堆的反应性几乎保持恒定。当铀发生裂变时，它会产生一些裂变产物，这些产物会吸收中子，从而减慢核反应的速度。如果存在适量的镧系元素，它们燃烧的速度与其他吸收剂形成的速度大致相同。大多数其他稀土元素对热中子都是相当透明的，其横截面从铈的0.7 barn到铒的170 barn不等。

一些更重要的放射性核素是钇-90(癌症治疗)、铈-144和钷-147(工业测量仪和电源)、钆-153(工业x射线荧光)和钇-169(便携式x射线源)。