Đồng phân hạt nhân (tiếng Anh: isomer, gốc từ tiếng Hy Lạp: ἴσος ísos, bằng; và μέρος méros, phần) là một trạng thái siêu bền của hạt nhân nguyên tử gây ra bởi sự kích thích của một hoặc nhiều nucleon của nó (proton và neutron). "Siêu bền" đề cập đến thực tế là những trạng thái kích thích có "thời gian bán hủy" (half life) lớn hơn 100-1000 lần so với chu kỳ bán rã của trạng thái hạt nhân kích thích bị phân rã với thời gian bán hủy "nhắc" ("prompt" half life, thường vào cỡ 10−12 giây). Kết quả là thuật ngữ "siêu bền" thường bị hạn chế để chỉ đồng phân với chu kỳ bán rã cỡ 10−9 sec hoặc lâu hơn. Một số nguồn văn liệu đề nghị là mức 5 × 10−9 sec để phân biệt thời gian bán hủy siêu bền với nửa thời gian sống "nhắc" khi bức xạ gamma bình thường . Thời gian bán hủy cũng có thể dài hơn, vào cỡ phút, giờ, năm, hoặc trong trường hợp hiếm là của 180m73Ta lâu đến mức không bao giờ quan sát được phân rã (ít nhất là 1015 năm). Đôi khi, sự phân rã gamma từ một trạng thái siêu bền được gọi bằng tên đặc biệt là quá trình chuyển đổi đồng phân, nhưng giữ nguyên bản chất sống lâu dài của đồng phân hạt nhân mẹ siêu bền. Quá trình này giống như phân rã gamma sống ngắn ngủi trong tất cả các khía cạnh bên ngoài. Sụ tồn tại dài hơn của đồng phân hạt nhân (trạng thái siêu bền) ở mức độ lớn thường phụ thuộc sự thay đổi spin hạt nhân, mà việc phát tia gamma phải tuân theo để đạt đến trạng thái cơ bản. Thay đổi spin cao gây ra những phân rã này thuộc cái gọi là chuyển dời bị cấm (so-called forbidden transition), và do đó bị trì hoãn. Các nguyên do khác cho sự trễ trong phát xạ, chẳng hạn như năng lượng phân rã có sẵn là thấp hoặc cao, cũng như tác dụng của nửa thời gian sống.