同位素测温法是通过测定某元素(如氧)的同位素比值确定该地质体形成温度的方法。物理、化学及生物作用均能引起同位素分馏，导致不同物质中同一元素具有不同程度的同位素分馏。同位素分馏效应以同位素分馏系数α来表示。α的定义为：一种化合物中两种同位素比值与另一种化合物中相应比值之商。α是同位素分馏程度的度量，α和1的差值越大，分馏越充分。α也为温度的函数，当温度接近于绝对零度时，α趋近于零或无穷大;当温度无限高时，α趋近于1，同位素分馏效应消失。在实践中应用较广的是氧、硫同位素地质温度计。同时形成的一对氧化物或硫化物之间发生的同位素交换反应达到平衡，且未遭受后期变化和污染，则可根据两者之间的分馏系数计算其生成温度。如运用碳酸盐与海水间的同位素交换反应的分馏系数确定碳酸盐形成温度(古温度)，已成为古海洋学的重要基础。这种外部测温法也运用于热液过程产生的矿物。目前此方法正朝向样品微量化(毫克级)、提高测量精度、改进测量仪器、快速等方向发展。