Naturlig forekommende thulium består utelukkende av den stabile isotopen . I tillegg er 34 kunstig fremstilte ustabile (og dermed radioaktive) isotoper kjent. De mest stabile av disse er med halveringstid 1,92 år, med halveringstid 128,9 døgn, med halveringstid 93,1 døgn og med halveringstid 9,25 døgn. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 2 minutter.