Naturlig forekommende thallium består av 2 stabile isotoper: (29,524 %) og (70,476 %). I tillegg finnes 35 kunstig fremstilte ustabile (og dermed radioaktive) isotoper hvorav de mest stabile er med halveringstid 3,78 år, med halveringstid 12,23 døgn, med halveringstid 72,912 timer og med halveringstid 26,1 timer. Alle de resterende isotopene har halveringstider kortere enn 1 døgn, og de fleste kortere enn 1 time.