同素异形体是指相同元素组成、不同形态的单质。定义如此，所以当然都是单质。所谓同位素，是指具有相同质子数、不同中子数（或不同质量数）的相同元素的不同核素。同素异形体是针对单质层面的概念，同素异形体是指相同元素。
同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。同素异形体之间的性质差异主要表现在物理性质上，化学性质上也有着活性的差异。例如磷的两种同素异形体，红磷和白磷，它们的着火点分别是240和40摄氏度，但是充分燃烧之后的产物都是五氧化二磷；白磷有剧毒，可溶于二硫化碳，红磷无毒，却不溶于二硫化碳。同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，这种转化是一种化学变化。
同素异形体的存在不是个别的孤立的现象，而是非金属元素（也包括周期表上对角线附近的少数金属）的最外层电子数较多，成键方式多样的宏观反映。稀有气体元素由于原子结构的稳定性，氢及卤素由于成键方式的单一性，都难以形成同素异形体。
生活中最常见的，有碳的同素异形体：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔；磷的同素异形体：白磷和红磷；氧的同素异形体：氧气、臭氧、四聚氧和红氧。
