탈륨 동위 원소는 원자 번호 81번인 탈륨(Tl)의 서로 다른 중성자 수를 가진 원자핵을 가진 원소들을 말한다. 탈륨은 두 종류의 안정 동위 원소, 즉 탈륨-203 (203Tl)과 탈륨-205 (205Tl)을 가지고 있다. 이 중 탈륨-205가 더 풍부하게 존재하며, 자연계에 존재하는 탈륨의 약 70.48%를 차지한다.
안정 동위 원소 외에도 여러 종류의 방사성 동위 원소들이 알려져 있다. 이들은 불안정하여 방사성 붕괴를 통해 다른 원소로 변환된다. 탈륨의 방사성 동위 원소 중 가장 긴 반감기를 가지는 것은 탈륨-204 (204Tl)로, 약 3.78년의 반감기를 가진다. 그 외 탈륨-200, 탈륨-201, 탈륨-202 등 다양한 방사성 동위 원소들이 존재하며, 이들은 핵 의학 분야에서 진단 및 치료 목적으로 사용되기도 한다. 특히 탈륨-201은 심근 관류 스캔에 사용되어 심장 근육의 혈류 상태를 평가하는 데 활용된다.
탈륨 동위 원소들은 질량수가 176부터 210까지 보고되어 있으며, 이들의 붕괴 방식은 질량수에 따라 다르다. 가벼운 동위 원소들은 주로 양전자 방출이나 전자 포획을 통해 붕괴하는 반면, 무거운 동위 원소들은 알파 붕괴를 통해 붕괴한다. 일부 동위 원소들은 베타 마이너스 붕괴를 하기도 한다. 각 동위 원소의 붕괴 과정은 특정 에너지의 감마선을 방출하기도 하며, 이러한 특성은 동위 원소를 식별하고 정량화하는 데 사용된다.