众所周知，水是由氢和氧组成的。但是，氢有三种同位素，即1H——氕、2H——氘和3H(T)——氚; 而氧也有三种同位素，即16O、17O和18O。这些同位素的平均丰度为： 1H——99.9844%，2H——0.0156%，3H——1×10-15 %; 16O——99.760%，17O——0.042%，18O——0.198%。每106水分子中，平均有320个HDO分子、420个H217O分子和2000个左右H218O分子。由于这些水分子的质量不同，它们的物理和化学性质也有微小的差别。天然水在凝聚和蒸发过程中，由于同位素分馏作用，在气液相中氢、氧重同位素含量不同。因此，水同位素组成包含着它的形成条件的重要信息，这是研究天然水运动过程的理想示踪剂。
测定水同位素组成的经典方法是基于各种水分子密度的差别，这种方法的精度较低，而质谱法是目前测定氢、氧同位素组成最有效的方法。而氢的放射性同位素氚的测定则采用液体闪烁计数器等仪器测定放射性(见“氚”词条)。
海水占地球水圈总体积的90%，它的同位素组成是比较均匀的，在地质历史上变化也不大。大陆冰川规模的变化使海水的同位素组成发生了变化。不同作者估计，更新世期间18O的最大变化为0.5-1.5‰。追溯到前寒武，一般认为，变化可达千分之几或更大。沉积作用大概使海水中18O含量减少3 ‰，但这主要发生在前寒武时期，寒武纪以后，18O仅减少约0.6‰。
就目前各海域的海水而言，同位素组成也比较均匀。一般表层海水的δD值大于-10‰，δ18O大于-1‰。蒸发作用强烈地影响水的同位素组成，因为轻同位素将在气相富集，使海水富重同位素。一般说来，盐度较浓的海水，其D和18O含量也较高。赤道附近海域的表层海水因强烈蒸发而富重同位素; 而高纬度海域的表层海水的D、18O含量，因受冰融水的影响而偏低。但是500米以下，海水的D/H比值和18O/16O比值很均匀。
我国曾有人测定过福建厦门港和九龙江河口的水样。九龙江的δD值为-43.2，河口海水和河水混合，δD值为-38.5——10.1，厦门港海水为-5.3—+1.8。