Một nguyên tố được gọi là nguyên tố phóng xạ nếu tất cả các đồng vị của nó đều là đồng vị phóng xạ, không có đồng vị nào là bền. '''Nguyên tố phóng xạ tự nhiên''' là nguyên tố phóng xạ có trong tự nhiên với nồng độ đáng kể.

Những nguyên tố phóng xạ tự nhiên được tìm thấy đầu tiên được liệt kê trong bảng dưới.

|+ Bảng 1. Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên

! style="width: 3em; margin-left: auto; margin-right: auto;" | Điện tích hạt nhân Z !! style="width: 10em;" | Tên và ký hiệu hoá học !! style="width: 15em;" | Đồng vị sống dài nhất !! style="width: 10em;" | Người và năm phát minh !! style="width: 15em;" | Đặc điểm quan trọng

| 84 || Poloni (Po) || ²⁰⁹Po (102 năm) || 1898 P.& M. Curie || Về mặt hoá học giống tellur

| 85 || Astati (At) || ²¹⁰At (8,1 h) || 1940 Corson, McKenzie & Segrè || Thuộc nhóm halogen, ở dạng đơn chất dễ bay hơi

| 86 || Radon (Rn) || ²²²Rn (3,62 ngày) || 1900 Rutherford, Soddy || Khí trơ

| 87 || Franxi (Fr) || ²²³Fr (22 min) || 1939 Perey || Kim loại kiềm thổ, về hoá học rất giống Xêsi

| 88 || Rađi (Ra) || ²²⁶Ra (1600 năm) || 1898 P.& M. Curie || Kim loại kiềm thổ, về hoá học rất giống bari

| 89 || Actini (Ac) || ²²⁷Ac (21,6 năm) || 1899 Debierne || Về mặt hoá học giống lantanit, tính bazơ mạnh hơn

| 90 || Thori (Th) || ²³²Th (1,41.10¹⁰ năm) || 1828 Berzelius || Thường chỉ thể hiện hoá trị (IV), Tạo ra nhiều phức chất, Th⁴⁺ thuỷ phân mạnh, về mặt hoá học giống Ce⁴⁺, Zr⁴⁺, Hf⁴⁺.

| 91 || Protactini (Pa) || ²³¹Pa (3,28.10⁴ năm) || 1917 Hahn & Meitner || Chủ yếu có số oxi hoá (V), ion Pa⁵⁺ bị thuỷ phân mạnh trong dung dịch, tạo phức mạnh, hình thành keo phóng xạ.

| 92 || Urani (U) || ²³⁸U (4,47.10⁹ năm) || 1789 Klaproth || Thể hiện các số oxi hoá từ (III) đến (VI) (-u tiên hoá trị (VI), tạo thành các ion U⁴⁺, UO₂⁺ và UO₂²⁺ trong dung dịch.)

*Họ phóng xạ thori bao gồm các đồng vị con cháu: Th-232; Ra 228 (MsTh₁); Ac 238 (MsTh₂); Th228 (RdTh); Ra-224 (ThX); Rn-220 (Tn); Po-216 (ThA); Pb-212(ThB); Bi-212(ThC); Po-212

*Họ phóng xạ urani-radi bao gồm: U-238 (UI); Th-234 (UX₁); Pa-234 (UX₂); Pa-234 (UZ); U234(UII); Th-230(I₀); Ra-226; Rn (222); Po-218 (RaA); Pb-214(RaB); At-218 Bi-214(RaC);Po214(RaC’);Th-210(RaC’’);Pb-210(RaD);Hg-206;Bi-210 (RaE);Tl-206 (RaE’); Po-210(Ra F); Pb206 (RaG)

Một phần nhỏ các chất phóng xạ trong tự nhiên nằm trong khí quyển là các nguyên tố nhẹ, như ¹⁴C, ¹⁰Be, ⁷Be và ³H. Bảng 2 thống kê các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có thời gian bán huỷ > 1 ngày.

{| class="wikitable" style="margin-left: auto; margin-right: auto; border: none;"

! style="width:5em;" | Ký hiệu !! Thời gian bán huỷ !! Dạng bức xạ !! style="width:10em;" | Hàm lượng đồng vị trong tự nhiên (%) !! style="width:10em;" | Chú thích

==Nguồn gốc và phân bố==

Dễ dàng thấy rằng phần lớn các nguyên tố phóng xạ tự nhiên là các nguyên tố nặng, phân bố rộng rãi trong thạch quyển, quan trọng nhất là quặng urani, quặng thori, bao gồm cả các sản phẩm phân rã của urani và thori, các mỏ muối kali.

! Khoáng vật !! Thành phần hoá học !! Hàm lượng Urani (%) !! Hàm lượng Thori (%) !! Mỏ

| Pitchblende || U₃O₃ || 60 - 90 ||  || Bohemia, Congo, Colorado (Mỹ)

| Becquerelit || 2UO₃.3H₂O || 74 ||  || Bayern (Đức), Congo

| Uraninit || rowspan="3" | UO₂.UO₃ || 65 - 75 || 0,5 - 10 || Nhật, Mỹ, Canađa

| Broeggerit || 48 - 75 || 6 - 12 || Na-uy

| Cleveit || 48 - 66 || 3,5 - 4,5 || Na-uy, Nhật, Texas (Mỹ)

| Autunit || Ca(UO₂)₂(PO₄)₂.nH₂O || 50-60 ||  || Pháp, Mađagasca, Bồ-đào-nha, Mỹ

| Cacnotit || K(UO₂)₂(VO₄)nH₂O || ≈45 ||  || Mỹ, Congo, Nga, Úc

| Casolit || PbO.UO₃.SiO₂.H₂O || ≈40 || || Congo

| Liebigit || Carbonat của U và Ca || ≈30 || || Nga, Australia

| Thorianit || (Th,U)O₂ || 4 - 28 || 60 - 90 || Xaylan, Mađagasca  

| Thorit || ThSiO₄.H₂O || 1 - 19 || 40 - 70 || Na-uy, Mỹ.

| Monazit || Photphat của Th và đất hiếm ||  || 0,1 - 15 || Brazin, Ấn Độ, Nga, Na-uy, Mađagasca

Người ta cho rằng năng lượng kèm theo sự phân rã của các chất phóng xạ tự nhiên đóng góp một phần vào nhiệt độ của vỏ trái đất. Nhiệt độ tương đối caom vào khoảng 30°C ở độ sâu từ 1 đến một vài km tính từ bề mặt trái đất, được giải thích bởi năng lương phân rã của các chất phóng xạ tự nhiên, chẳng hạn trong đá granit.

Do những rạn vỡ của vỏ trái đất và quá trình phong hoá, các nguyên tố phóng xạ di chuyển đi nơi khác và các cân bằng phóng xạ bị vi phạm. Các nguyên tố phóng xạ tách khỏi đất đá chứa các nguyên tố mẹ - urani và thori. Các nguyên tố phóng xạ ngắn ngày nhanh chóng biến mất, chỉ còn lại các nguyên tố phóng xạ dài ngày như ²³⁰Th, ²³¹Pa và ²²⁶Ra. Nhưng các nguyên tố dài ngày này tạo thành những thể sa lắng thứ cấp, chẳng hạt các lớp sét màu xám và các bùn lắng trong hồ nước chứa Ra.  

Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên chuyển từ đất vào thực vật và sau đó vào cơ thể động vật. Hàm lượng urani trong cây cối khoảng từ 10^-5 đến 10^-8%, của radi khoảng 10^-12%. Hàm lương radi trong cơ thể động vật chừng 10-12%.

Ngoài urani, thori và các sản phẩm phân rã của chúng, trong tự nhiên cũng tồn tại các nguyên tố phóng xạ khác như các đồng vị phóng xạ của kali, canxi, rubidi...(xem bảng 2.). Hàm lượng của các nguyên tố này trong vỏ trái đất vào khoảng 0,1%. Cũng vì vậy trong cây cối và cơ thể động vật, ngoài urani, thori, radi và các sản phẩm phân rã của chúng, còn có các nguyên tố phóng xạ khác, chẳng hạn một lượng đáng kể đồng vị ⁴⁰K.

Các tia vũ trụ tác động lên không khí (hỗn hợp nitơ và oxi) có thể kích hoạt hạt nhân nguyên tử của chúng mà kết quả là xuất hiện các nơtron nhanh. Neutron bắn phá các hạt nhân nitơ tạo thành đồng vị ¹⁴C do phản ứng ¹⁴₇N(n,p)¹⁴₆C. Quá trình ấy tạo ra một lượng lớn ¹⁴C trong khí quyển nằm dưới dạng phân tử carbon dioxide (CO₂) có thời gian bán huỷ là 5760 năm. Trong nhiều thế kỷ, cường độ của các tia vũ trụ hiển nhiên không hề thay đổi. Cacbon dioxide liên tục được tạo thành với tốc độ không đổi trong khí quyển. Sự phân rã ¹⁴C trong CO₂ cũng diễn ra với tốc độ không đổi. Kết quả là CO₂ trong khí quyển chứa một tỷ lệ bất biến CO₂ phóng xạ. CO₂ này được cây cối hấp thụ khi quang hợp làm cho hàm lượng cacbon phóng xạ trong động thực cũng không đổi.