تالیوم (81Tl) دارای 41 ایزوتوپ با جرم اتمی است که دامنه آن از 176 تا 216 است. 203Tl و 205Tl تنها ایزوتوپ های پایدار و 204Tl پایدارترین رادیوایزوتوپ با نیمه عمر 3.78 سال است. 207Tl ، با نیمه عمر 47/4 دقیقه ، بیشترین نیمه عمر را نسبت به رادیوایزوتوپهای طبیعی دارد.
تالیوم -202 (نیمه عمر 12.23 روز) می تواند در سیکلوترون ساخته شود در حالی که تالیوم -204 (نیمه عمر 3.78 سال) با فعال شدن نوترون تالیوم پایدار در یک راکتور هسته ای ساخته می شود.
در حالت کاملا یونیزه ، ایزوتوپ 205Tl بتا رادیواکتیو می شود و به 205Pb فرو می رود ، اما 203Tl پایدار می ماند.