При основании лаборатории в 1949 г. её возглавил к.с.-х.н. А.В.Трофимов, первым в стране создавший масс-спектрометр для изучения природных изотопных вариаций серы и первым осуществивший в стране радиоуглеродное датирование. Позднее академик А.П.Виноградов привлёк к работе в лаборатории, наряду с опытными специалистами, молодых учёных - геохимиков, физиков, химиков. Именно в эти и последующие годы заявили о себе блестящие исследователи Р.В.Тейс, Е.И.Донцова, В.М.Кутюрин, В.А.Гриненко, О.И.Кропотова, Е.В.Бибикова, С.И.Зыков и др. Член-корр. АН СССР А.И.Тугаринов за время последующего двухлетнего руководства лабораторией получил очень важные результаты в области изотопной геохронологии. С 1979 по 2001 год лабораторией руководил профессор Ю.А.Шуколюков. В это время в лаборатории особенно активно развивались исследования изотопов благородных газов и основанные на них методы датирования природных процессов (K/Ar, U/Xe, Te/Xe). Наибольших успехов в этих направлениях добились А.Б.Верховский, А.П.Мешик, С.В.Ассонов, М.М.Фугзан. Исследованиями с использованием Sm-Nd изотопной системы долгое время успешно занимался С.Ф.Карпенко.
С 2002 года лабораторию возглавляет Ю.А.Костицын.
