その核種に特有のある寿命で自発的に放射線を放出して別の核種に変化する元素。この変化を放射性崩壊あるいは壊変といい、もとの元素を親元素、壊変後の元素を娘元素という。親元素が放射性崩壊して存在量が半分になるまでの時間を半減期と呼ぶ。半減期は元素ごとに異なる。
いくつかの放射性元素は年代測定（放射線年代測定）に用いられる。対象とする親元素がある系に固定されて移動しなくなった出発時点（たとえば生物が死んだり、鉱物が結晶化したとき）から、親元素の娘元素に対する比は系の中で減少し続ける。推定したい時間の長さに適した半減期を持つ元素を利用して、出発点から現在までの経過時間を推定することができる。炭素（¹⁴C）から窒素（¹⁴N）への崩壊（半減期約5730年）やカリウム（⁴⁰K）からアルゴン（⁴⁰Ar）への崩壊（半減期約12.8億年）などがよく用いられる。
陽子の数が同じ（原子番号が同じ）で質量数が異なる（中性子の数が異なる）元素は同位体（同位元素）と呼ばれるが、その中で放射性元素を特に放射性同位体あるいは放射性同位元素という。