Protaktyn (Pa) nie ma trwałych izotopów, znanych jest natomiast jego 29 izotopów promieniotwórczych, z których najstabilniejsze to o okresie półtrwania (t1/2) 32 760 lat, t1/2 = 26,97 dni i t1/2 = 17,4 dni. Wszystkie pozostałe radioaktywne izotopy mają czas połowicznego zaniku mniejszy niż 1,6 dnia, a większość z nich ma czasy połowicznego zaniku mniejsze niż 1,8 sekundy.
Jedynymi naturalnie występującymi izotopami są: , który występuje jako produkt pośredni rozpadu i stanowi blisko 100% naturalnego protaktynu, oraz krótko żyjące i , występujące w śladowych ilościach jako produkty pośrednie w rozpadzie . Średnia masa atomowa naturalnego protaktynu wynosi 231,03588(2) u.
Głównym procesem rozpadu jądrowego dla izotopów protaktynu o Z ≤ 231 jest rozpad alfa, z wyjątkiem jąder o Z = 228–230, w których następuje wychwyt elektronu prowadzący do izotopów toru. Głównym procesem dla cięższych izotopów jest rozpad beta minus (β−). Głównymi produktami rozpadu i izotopów lżejszych (włączając w to ) są izotopy aktynu, a dla cięższych izotopów protaktynu produktami rozpadu są izotopy uranu.