天然鈾由三種同位素組成。分別是鈾234、鈾235和鈾238。其中，鈾234是鈾238的衰變產物，其濃度與鈾238成固定比例。鈾235的濃度與鈾238的含量無關。由於鈾238和鈾235的衰變速度不同，天然鈾的同位素組成隨時間發生變化。
這具有重大的影響
20億年前，在今天加彭的奧克洛，存在一個由普通水慢化的天然反應堆。在那個年代，天然鈾的鈾235含量為3%，這與發電站沸水堆核燃料中的濃度相同。
今天，天然鈾的鈾235濃度只有0.72%。在普通水中，鏈式反應是不可能的。需要使用重水或富集鈾235。
如果在太陽變成紅巨星之前，幾十億年後，我們的太陽系中存在智慧生命，他們將很難利用核裂變，因為鈾235的濃度會非常低。
同位素組成的變化可以根據以下描述計算
鈾235的量隨時間t的變化
鈾238的量隨時間t的變化
鈾234的量隨時間t的變化
下表列出了天然鈾同位素的丰度和半衰期值
| 同位素 |
丰度 |
半衰期 |
| 鈾238 (U238) |
99.27390% |
45.1億年 |
| 鈾235 (U235) |
0.7205% |
7.1億年 |
| 鈾234 (U234) |
0.0056% |
25.4萬年 |
鈾235在時間t時的濃度
鈾238在時間t時的濃度
時間 t 時鈾 234 的濃度
天然鈾的成分隨時間的變化
| 時間（百萬年） |
鈾 238 |
鈾 235 |
鈾 234 |
| -5000 |
69.26852 % |
30.72757 % |
0.00391 % |
| -4500 |
77.27535 % |
22.72029 % |
0.00436 % |
| -4000 |
83.68689 % |
16.30839 % |
0.00472 % |
| -3500 |
88.55684 % |
11.43817 % |
0.00500 % |
| -3000 |
92.10948 % |
7.88532 % |
0.00520 % |
| -2500 |
94.62553 % |
5.36913 % |
0.00534 % |
| -2000 |
96.37030 % |
3.62426 % |
0.00544 % |
| -1500 |
97.56263 % |
2.43187 % |
0.00550 % |
| -1000 |
98.36929 % |
1.62516 % |
0.00555 % |
| -500 |
98.91133 % |
1.08309 % |
0.00558 % |
| 今天 |
99.27390% |
0.72050 % |
0.00560 % |
| 500 |
99.51568 % |
0.47871 % |
0.00561 % |
| 1000 |
99.67658 % |
0.31780 % |
0.00562 % |
| 1500 |
99.78351 % |
0.21086 % |
0.00563 % |
| 2000 |
99.85451 % |
0.13986 % |
0.00563 % |
| 2500 |
99.90162 % |
0.09274 % |
0.00564 % |
| 3000 |
99.93287 % |
0.06149 % |
0.00564 % |
| 3500 |
99.95360 % |
0.04076 % |
0.00564 % |
| 4000 |
99.96734 % |
0.02702 % |
0.00564 % |
| 4500 |
99.97645 % |
0.01791 % |
0.00564 % |
| 5000 |
99.98249 % |
0.01187 % |
0.00564 % |
