Das natürliche Verhältnis der drei stabilen Sauerstoffisotope mit unterschiedlichem Atomgewicht (16O=15,9949, 17O=16,9991, 18O=17,9992) wird vom 16O dominiert (99,76%), die schwereren Isotope 17O und 18O sind nur mit 0,037% bzw. 0,20% beteiligt.

Der freie Sauerstoff zeigt in der Atmosphäre ein konstantes Isotopenverhältnis. Gelöster Sauerstoff im Meer zeigt tiefenabhängige Änderungen mit einem Maximum von schwerem Suaerstoff (18O) im Bereich geringster Sauerstoffkonzentrationen; dies beruht darauf, dass beim Abbau organischer Substanz die leichten Isotope bevorzugt abgebaut werden. Im Meerwasser schwankt das Isotopenverhältnis mit der Änderung von Temperatur und Salzgehalt. Daher kann das Sauerstoffisotopenverhältnis bei der Klimarekonstruktion auch als Temperaturindikator benutzt werden.