強子和原子核自發地放射出電子或正電子或俘獲一個軌道電子但同時都伴有一個中微子而發生的衰變。放出電子的衰變過程稱為β−衰變；放出正電子的衰變過程稱為β+衰變。原子核從核外電子殼層中俘獲一個軌道電子的衰變過程稱為軌道電子俘獲，俘獲K層電子叫K俘獲，俘獲L層的叫L俘獲，其餘類推。通常，K俘獲獲的概率最大。β衰變中原子核的質量數不變，隻是電荷數改變瞭一個單位。β衰變中放出的能量稱為β衰變能。它可通過衰變前後體系的靜止質量之差計算而得到。
β衰變的半衰期分佈在接近10−2秒到1018年的范圍內，發射出粒子的能量最大為幾兆電子伏。β衰變不僅在重核范圍內發生，元素周期表內全部元素都存在β放射性核素。因此，對β衰變的研究比α衰變的研究更重要。
β衰變中，原子核發生下列三種類型的變化：
AZX Z+1AY+e－+ν‾（β－衰變）
AZX塊 Z－1AY+e++ν（β+衰變）
AZX+e－ Z－1AY+ν（軌道電子俘獲）式中X和Y分別表示母核和子核；A和Z為母核的質量數和質子數；e－和e+為電子和正電子；ν和ν‾為中微子和反中微子。
軌道電子俘獲過程所形成的子核原子，由於缺少瞭一個內層電子，原子處於激發狀態，它可通過發射特征X射線或俄歇電子而退激。
β衰變的電子中微子理論 β衰變中放出的β粒子的能量是從Ee=0到Em（Em等於β衰變能）連續分佈的。為解釋這一現象，1931年W.泡利提出瞭β衰變放出中性微粒的假說。1933年，E.費米在此基礎上提出瞭β衰變的電子中微子理論。這個理論認為：中子和質子可看作是同一種粒子（核子）的兩個不同的量子狀態，它們之間的相互轉變相當於核子從一個量子態躍遷到另一個量子態，躍遷過程中放出電子和中微子。β粒子是核子不同狀態之間躍遷的產物，事先並不存在於核內。所以，引起β衰變的是電子–中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬於弱相互作用。這個理論成功地解釋瞭β譜的形狀，給出瞭β衰變的定量的描述。
β躍遷概率 根據量子力學的微擾論，費米理論給出單位時間發射動量在p到p+dp間β粒子的概率為：
式中
g為弱相互作用常量，
M
if為躍遷矩陣元，ħ為普朗克常數
h除以2π，
F(
Z,
E)為庫侖改正因子，它描述核的庫侖場對發射β粒子的影響，是子核電荷數
Z和β粒子能量
E的函數。躍遷概率的大小主要由躍遷矩陣元|
Mif|的大小決定。
β躍遷分類 根據躍遷矩陣元的大小，可將β躍遷分為容許躍遷、一級禁戒躍遷、二級禁戒躍遷等。級次越高，躍遷概率越小；相鄰兩極間，概率可相差幾個數量級。
β衰變的庫裡厄圖 β衰變的研究中，常將上式改寫為：
式中：
對於容許躍遷，|
Mif|與β粒子的能量無關，
K為常量。此時若以
為縱坐標，
E為橫坐標作圖，則得一條直線。直線同橫軸的交點為β粒子的最大能量
E
m。這種圖稱為庫裡厄圖，也稱費米–庫裡厄圖。這樣庫裡厄圖可用來精確測定
E
m，也可用來分解復雜的β譜，定出禁戒躍遷級次。
β衰變中的宇稱不守恒 β衰變研究中的一個重要的突破是1956年李政道和楊振寧提出的弱相互作用中宇稱不守恒。第二年吳健雄等人利用極化核60Co的β衰變實驗首次證實瞭宇稱不守恒，這一發現不僅促進瞭β衰變本身的研究，也促進粒子物理學的發展。