L'hydrologie isotopique est un domaine de l'hydrologie qui utilise la datation isotopique pour estimer l'âge et les origines de l'eau et des mouvements au sein du cycle hydrologique. Les techniques sont utilisées pour la politique d'utilisation de l'eau, la cartographie des aquifères, la conservation des réserves d'eau et le contrôle de la pollution. Il remplace ou complète les anciennes méthodes de mesure de la pluie, du niveau des rivières et d'autres plans d'eau sur plusieurs décennies. Les molécules d’eau portent des empreintes digitales uniques, basées en partie sur des proportions différentes d’isotopes d’oxygène et d’hydrogène qui constituent toute l’eau. Les isotopes sont des formes du même élément qui possèdent un nombre variable de neutrons dans leur noyau. Une application fréquemment citée concerne l’utilisation d’isotopes stables pour déterminer l’âge de la glace ou de la neige, ce qui peut aider à indiquer les conditions climatiques du passé. Une autre application implique la séparation du débit des eaux souterraines et du débit de base du débit fluvial dans le domaine de l'hydrologie des bassins versants. Les signatures de l'eau souterraine peuvent également être identifiées par échantillonnage de puits, la signature composite dans le ruisseau est un indicateur, à un moment donné, de la partie du débit qui provient de l'écoulement terrestre et de la partie qui provient de l'écoulement souterrain.