同位素实验室创建于2010年，是世界一流的铀系年代学及全球变化研究实验室。近10年来，在程海教授带领下，同位素实验室系统地发展了高精度铀系（U-Th、U-Pb）测年技术；首次获得石笋△'¹⁷O记录，将新指标与δ¹⁸O结合，搭建了国际领先的碳酸盐三氧同位素测量平台；进一步发展了流体包裹体测量古温度的方法，搭建了激光-微量元素测试平台；建立了全球气候变化年代标尺和基准序列；为石笋记录成为继海洋、冰芯和黄土记录之后古气候研究的第四大“支柱”和我国确立并保持这一领域的国际前沿地位做出贡献。同位素实验室为美国、英国、法国、西班牙、意大利、比利时、印度、澳大利亚、瑞士、奥地利、韩国、德国等众多合作单位提供了大量的²³⁰Th测年数据，这些精确的年代数据被应用于亚洲、南美洲、阿拉伯、非洲、北美、中美洲、欧洲、热带太平洋等区域的不同时间尺度的古气候变化的突破性研究中，同时为中国、印度及其他区域的古人类进化等考古研究提供了“金钉子”年代。自2015年起，同位素实验室连续获得西安交通大学大型仪器设备运行管理“先进机组”荣誉称号，2023年获西安交通大学大型仪器设备运行管理“先进公共平台”荣誉称号。

同位素实验室总面积约800m²，其中超净实验室面积约260m²。其中，U系年代学超净实验室配置2台多接收电感耦合等离子体质谱仪（型号分别为Neptune Plus和Neptune XT）。实验室按净化等级分为三个层次：万级超净仪器间（约150m²），千级超净化学间（约110m²）和百级超净安全柜（8个）。超净实验室运行良好，已完成了大量年代学样品的化学处理和仪器测试工作，为相关科研工作提供了可靠的技术支撑。常规实验室拥有MAT-253型、253 plus型和Delta V Plus型气体同位素质谱仪各一台，并配备有2台Kiel-IV型微量碳酸盐装置，可快速获取高精度的C、O同位素数据，同时还可进行三氧同位素（¹⁸O-¹⁷O-¹⁶O）的测定；2台Picarro L2140-i 型水同位素分析仪，可用于测量大气降水、岩溶滴水及大气中气态水的H、O同位素组成，并开展包裹体中H、O同位素的分析测试；2套激光诱导击穿光谱系统（LIBS）用于微量元素的分析测试；1台安捷伦8890型气相色谱仪用于有机化合物成分测定；实验室还配备有蔡司偏光荧光显微镜、金刚石线切割机床和Micromill微量取样装置等设备，确保相关研究工作的顺利开展。