Применение изотопных методов, благодаря их высокой чувствительности и точности, имеет огромное преимущество, а зачастую является и единственным методом для получения ценной информации об условиях образования и происхождения объектов как биологических, так и, геологических. Например, изотопная геохимия дает ключ к пониманию процессов, определяющих формирование рудных месторождений, и делает возможной реконструкцию физико-химических условий минералообразования.
Соотношение изотопов в различных состояниях воды зависит от температуры, при которой протекали процессы испарения и конденсации, или плавления и замерзания. Следовательно, изотопный состав атмосферных осадков может служить индикатором как сезонных, так и длительных колебаний температуры приповерхностного слоя атмосферы. Развитие изотопных методов исследования привело к появлению приборов, позволяющих изучать изотопный состав ледяных кернов и древесины годичных колец. На этих данных базируется быстро развивающаяся наука климатология.
В наше время изотопный анализ вышел за рамки чистой науки и нашел ряд практических применений. Изотопные исследования широко используются в криминалистике. Вариации изотопного состава могут быть использованы для идентификации географического источника какого-либо вещества, например, наркотического: можно отследить путь передвижения веществ от производителя до потребителя. Зная изотопный состав продуктов питания и напитков, можно дать заключение об их подлинности, т.е. соответствует ли на самом деле предлагаемый товар заявленному качеству, в частности, изготовлен ли продукт из натурального или синтетического сырья. Сегодня изотопным методом выявляется фальсификат дорогих марок вин и шампанского. Изотопные масс-спектрометры активно применяются в медицине для неинвазивной диагностики ряда заболеваний по анализу выдыхаемого воздуха. Этот метод хорош тем, что дает результат уже на ранних стадиях развития болезни.
Перечислены лишь наиболее распространенные сферы применения масс-спектрометров для анализа стабильных изотопов. Однако спектр задач, решаемых при помощи этих приборов, практически безграничен. Даже крупные музеи и картинные галереи в настоящее время активно используют метод изотопного анализа для подтверждения подлинности и возраста при проведении искусствоведческих экспертиз.