不稳定核素自发放出粒子或γ辐射，或在轨道电子俘获后放出X辐射，或自发裂变的性质。放射性核素放出辐射后变为其他核素或同一种核素的不同能态，这种变化称为放射性衰变，简称衰变。放射性现象首先是法国物理学家贝可勒尔于1896年发现的。在此之前也有人观察到放射性的一些效应，但未能阐明。
1895年德国科学家伦琴发现了X射线。当初它是由真空管中高能量的阴极射线撞击玻璃管壁而产生的。X射线管中产生射线时，在玻璃管壁上总是伴随有荧光。X射线能穿过一定厚度的物质，能使感光材料感光，也能使空气电离。为了要说明X射线与荧光的因果关系，贝可勒尔起初认为，X射线可能是由荧光物质放出的。于是他对几十种荧光物质进行试验，果然发现一种荧光物质——硫酸铀酰钾复盐——能放出“X射线”。实验的方法是将用黑纸包严的感光材料放在阳光照射的铀盐之下，这时铀盐产生很强的荧光并使感光材料感光。因为荧光本身不能使包有黑纸的感光材料感光，所以认为感光是由“X射线”引起的。在继续实验期间，接连遇到阴天，实验者只能停止实验，随便地将铀盐和包严的感光材料一起放置在实验桌的暗处。几天以后，贝可勒尔担心铀盐可能受到其他光源的照射而产生荧光，于是将包严的感光材料进行显影，发现材料已经显著感光。重复这种黑暗条件下存放的实验，证明材料的感光只与铀盐本身的性质有关，而与有无荧光无关。进一步研究证明，铀盐放出的是另一种新型射线，而且凡是含铀的物质都放出这种射线，因此称它为铀光或贝可勒尔射线。接着发现元素钍、钋和镭也放出这种射线。M.居里建议把物质的这种特征性质称为放射性。这个词来源于拉丁文radio（辐射或射线）和activus（能动性）。
放射性核素的特征放射性核素的标志除了一般核素的标志原子序数Z和质量数A以外，还有放射性衰变类型、半衰期、激发态以及辐射的能量等标志。放射性核素最常见的衰变类型是α衰变和β衰变，即由原子核中自发放出氦原子核和电子的衰变。随着核物理研究的深入，不断发现一些稀有的衰变类型。现在实验技术水平能够进行研究的放射性核素半衰期范围为10-12秒～1015年。处于激发态的原子核如果放出光子，则所放出光子的能量约为1×104～7×106电子伏；放出电子的最大能量为1.76×104～1.34×107电子伏；放出正电子的最大能量为5×105～1.6×107电子伏；放出α粒子的能量为4×106～8.7×106电子伏。
放射性核素和稳定核素的分界线随着辐射探测技术的进步，有些寿命特别长或者衰变特别慢的、原来认为稳定的核素，现在证明是放射性的。在辐射探测器中总是存在着某些本底信号，当研究的核素放出的辐射所产生的信号十分微弱时，由于本底信号严重干扰，不能探测到这些微弱信号，于是便认为这种核素是稳定的。按现在的测量水平，“放射性”核素的半衰期大于1015年时，就当做稳定核素。从理论计算预言某些核素的寿命则不限，如有人预言质子也是不稳定的，半衰期（年）的量级为1031左右。
放射性核素衰变和核反应中复合核转变的区别衰变是自发进行的，核反应是依靠外力产生的。但是，如果把轰击粒子与靶核生成复合核的时刻当做起点，则复合核的变化（大约经历10-14～10-13秒完成）也可以看做自发变化，这样将与放射性衰变相混淆。为了区别这两种过程，通常把放射性核素的最短寿命限制为10-12秒。如果相继衰变中存在寿命短于10-12秒的情况，则可认为核素以放出几种粒子的类型进行衰变。放射性在工业、农业和医疗等方面有重要的用途。人类或其他生物受到过量的放射性辐照时，可能引起放射病，必须注意放射性防护。