在生态学和环境科学研究中最常用的是碳、氮、硫、氧和氢的稳定同位素，这些稳定性同位素可以通过气体同位素比率质谱分析法测得。首先将样品转化成气体（如CO2，N2，SO2或H2），在离子源中将气体分子离子化（从每个分子中剥离一个电子，导致每个分子带有一个正电荷），接着将离子化气体打入飞行管中。飞行管是弯曲的，磁铁置于其上方，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素的分子弯曲程度小于含轻同位素的分子。在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度。

　　以CO2为例，需要有三个法拉第收集器来收集质量分别为44、45和46的离子束。不同质量离子同时收集，从而可以精确测定不同质量离子之间的比率。
　　图CO2的三个最常见质量——44（C,O,O）、45（C,O,O）和46（C,O,O）在质谱仪飞行管中的分布图。进入飞行管的CO2在通过离子源时，每个分子都被剥离一个电子，形成带正电的离子。
　　在飞行管中，磁场导致离子发生偏离，偏离半径与离子的质量/电荷比率成比例。重离子比轻离子偏离小（偏离半径大）。以CO2为例，质量为46的离子偏离半径，质量为44的离子偏离半径最小，质量为45的离子则介于两者之间。电荷也会影响偏离半径，但对于绝大多数分子而言，由于离子源仅剥离一个电子，因此，离子电荷数基本是恒定的。
　　稳定同位素丰度表示为样品中两种含量最多同位素比率与国际标准中响应比率之间的比值，用符号（δ）表示。由于样品与标准参照物之间比率差异较小，所以稳定同位素丰度表示为样品与标准之间偏差的千分数。以碳为例：
　　δC样品={(C/C样品)/(C/C标准)-1}x1000
　　标准物质的稳定同位素丰度被定义为0‰。以碳为例，国际标准物质为PeeDeeBelemnite，一种碳酸盐物质，其普遍公认的同位素比率（C/C）为0.0112372。如果某种物质的C/C比率>0.0112372，则具有正值；若其13C/12C比率<0.0112372，则具有负值。下表列出了5种环境稳定同位素的国际标准及其同位素比率。氧和氢等稳定同位素具有多个国际标准。