碳是宇宙中第二丰富的元素，但在地球上属于微量元素。尽管如此，碳在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中是常见的元素，并且是地球上生命物质的基本组成部分。碳可以以固态、液态和气态的形式存在，在地壳表面各层圈中广泛分布，也能在地壳深部甚至在地幔中存在。碳既可以以还原态存在于有机物质、煤、石油和天然气中，也可以以氧化态形式存在于CO2、水溶液中的碳酸盐离子和碳酸盐中，还可以以单质石墨、金刚石等形式存在。碳有两种稳定同位素（12C的原子丰度为99.892%，13C的原子丰度为1.108%）和一种放射性同位素（14C）。样品的碳同位素组成特征通常以δ13C表示。适合进行碳同位素组成分析的地球化学样品包括石墨、金刚石、方解石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等矿物，以及石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品。此外，各种矿物包裹体中的CO2和CH4气体，以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分也可以作为研究对象。

自然界中碳同位素的分馏效应比较明显，δ13C的变化范围可达100‰。引起碳同位素分馏的主要机制包括光合作用和热裂解作用的动力分馏，以及不同含碳化合物之间的同位素交换反应、碳的氧化还原反应的平衡分馏等。例如，光合作用导致有机物富集12C，而大气中富集13C。热裂解作用使轻的化合物中富12C，重的化合物中富集13C。同位素交换反应调节着大气CO2与海水中之间的同位素平衡，使溶液中富集13C，导致沉积碳酸盐岩石（如石灰岩、白云岩）等富含13C。氧化还原反应在强还原条件下发生，导致CO2中富集13C，CH4中富集12C。

自然界中碳同位素组成的变化范围超过100‰，最重的碳酸盐δ13C值大于20‰，最轻的甲烷δ13C值为-90‰。例如，陨石、月岩和岩浆岩中的碳同位素组成变化很大，陨石碳具有很宽的碳同位素组成范围（δ13C=-27‰～+70‰）。沉积碳酸盐岩的碳同位素组成比较稳定，从寒武纪到第三纪的海相碳酸盐岩δ13C≈0，几乎恒定不变。陆相碳酸盐岩较海相碳酸盐岩δ13C值变化范围大，且更富集12C。热液体系碳同位素组成因碳质来源不同而有较大变化范围。有机体系碳同位素，如煤、石油、天然气，富集12C，可确切表明其生物成因。

碳同位素在地球化学研究中具有重要的示踪意义。例如，金刚石的δ13C值可以示踪地幔去气作用类型。热液系统中的碳同位素组成可示踪碳的来源，进而可进行成矿作用等方面的研究。石油的δ13C值可以推测其原油母质的沉积环境。界线地层碳同位素研究通过地层单元中同位素组成变化的对比，可以确定地层相对时代，进行地层划分并探讨地质历史中的重大事件。地-气交换过程中的碳同位素示踪研究表明，微量气体甲烷的碳和氢同位素是研究陆地生态系统和大气间物质交换的有效示踪途径。