Chaque élément chimique est constitué d'atomes légers et lourds, appelés isotopes. On distingue les isotopes radioactifs qui se désintègrent en d'autres éléments (p. ex. le carbon 14) et les isotopes stables qui demeurent inchangés au fil des périodes géologiques.
Dans chaque cerne annuel, nous pouvons mesurer les isotopes légers et lourds des éléments carbone, azote, oxygène et hydrogène. Nous calculons alors la proportion d'isotopes de carbone lourds et légers dans chaque cerne. Ceci fournit des informations, par exemple, sur la façon dont les arbres ont régulé l'ouverture des minuscules stomates dans leurs feuilles pendant l'année de formation de chacun de ces cernes. Selon le degré d'ouverture des stomates, une quantité plus ou moins importante d'isotopes de carbone lourds et peu mobiles peut pénétrer à l'intérieur des feuilles et y être utilisée pendant la photosynthèse.
Si nous mesurons le rapport entre les isotopes lourds et légers du carbone dans les cernes annuels, nous pouvons retracer la régulation de l'ouverture des stomates et donc la réaction des arbres à l'augmentation du CO2 dans l'atmosphère et aux autres influences environnementales passées.
Quant aux isotopes radioactifs 14C et à leur vitesse de désintégration, ils peuvent être utilisés pour déterminer l'âge des cernes provenant de bois historique, archéologique et subfossile.