氢、氧同位素可为研究地下水或热泉水的来源、盐湖的演化、物质的来源，以及研究冰盖历史和气候变迁，提供重要依据。
一定时期内处于相似或同一成岩背景下，不同沉积环境形成的碳酸盐岩，其氧同位素组成存在一定的差异。沉积环境中水介质盐度增高，蒸发作用加强，均会使碳酸盐岩中δ18O值增大；大气降水和陆源淡水的注入引起介质盐度降低，从而使碳酸盐岩中δ18O值变小。温度对δ18O值的影响远大于盐度对其的影响，温度每升高4℃，δ18O值相应降低1‰，相应的温度降低便会导致δ18O值增大。在氧同位素应用于古气候的研究时，需要考虑成岩作用对碳酸盐δ18O值的影响。
通过对古人类遗址、古脊椎动物化石及大洋沉积物中生物壳的碳、氢、氧同位素研究，可以追索白垩纪以来古气候的变化。大洋沉积的岩心中有孔虫介壳的氧同位素记录可以提供精确的更新世气候。碳、氢、氧、硫稳定同位素，在我国煤、石油和天然气的研究、勘探和开发中，已经得到广泛应用，主要用于探讨沉积环境等。“碳同位素类型曲线”方法可以用来研究有机母源物质的生成环境，并进行油-生油岩对比。
近年来，87Sr/86Sr比值也广泛应用于古气候分析，随着大陆风化作用加强，海水中的87Sr/86Sr比值随之增加，从而指示古气候的变化。在87Sr/86Sr值应用于古环境的研究时，需要考虑成岩作用，海洋环流等因素的影响。