同位素分离方法是将某种化学物质的一种同位素从其他同位素中分离出来并加以纯化和浓缩的化学和物理方法。同一化学元素原子量不同的两种或两种以上的原子互为同位素。自然界中的元素大多数是几种同位素以几乎不变化的比例组成的混合物。例如地壳中的铀是由铀-238和铀-235组成的，比例为99.28%∶0.71%。

(还有几种其它痕量同位素)同一种元素的几种同位素其质量上的差异导致极其细微的化学效应。它们对某些特定的化学反应有略微不同的平衡常数，因此利用这种化学反应可对同位素进行分离。另外，某些物理过程，例如蒸发、冷凝和热扩散也可使同位素分离。近来，激光化学的发展开辟了同位素分离的新技术，它是利用不同同位素对一定波长的激光有选择性吸收的特性即某一同位素只严格地吸收某一特定波长的激光从而受到激发，这样即可将受激发的同位素和未受激发的同位素分开。此方法可大大节省同位素分离过程消耗的巨大能源，而且它不仅可用于天然铀的浓缩，还可用于反应堆乏燃料和贫料铀的再浓缩。此法已在我国试验成功。同位素分离是原子能工业中重要的环节。例如作为核燃料用时，铀-235必须占铀总量的3%以上时才能使用，因此同位素分离技术在核能利用中具有十分重要的意义。