Mnoho hornin a organismů obsahuje radioaktivní izotopy, jako jsou U-235 a C-14. Tyto radioaktivní izotopy jsou nestabilní a rozpadají se v čase předvídatelnou rychlostí. Jak se izotopy rozpadají, vydávají částice ze svého jádra a stávají se odlišným izotopem. Mateřský izotop je původní nestabilní izotop a dceřinné izotopy jsou stabilním produktem rozpadu. Poločas je doba, za kterou se rozpadne polovina mateřských izotopů. K rozpadu dochází v logaritmickém měřítku. Například poločas C-14 je 5 730 let. Za prvních 5 730 let ztratí organismus polovinu svých izotopů C-14. Za dalších 5 730 let ztratí organismus další polovinu zbývajících izotopů C-14. Tento proces pokračuje v průběhu času, kdy organismus ztrácí polovinu zbývajících izotopů C-14 každých 5 730 let.
Fosílie jsou shromažďovány spolu s horninami, které se vyskytují ze stejných vrstev. Tyto vzorky jsou pečlivě katalogizovány a analyzovány hmotnostním spektrometrem. Hmotnostní spektrometr je schopen poskytnout informace o typu a množství izotopů nalezených ve skále. Vědci zjišťují poměr izotopu rodiče k dceřinému izotopu. Porovnáním tohoto poměru s logaritmickou stupnicí poločasu rozpadu mateřského izotopu jsou schopni zjistit stáří dotyčné horniny nebo fosilií.
Existuje několik běžných radioaktivních izotopů, které se používají pro datování hornin, artefaktů a fosilií. Nejběžnější je U-235. U-235 se nachází v mnoha vyvřelinách, půdě a sedimentech. U-235 se rozpadá na Pb-207 s poločasem 704 milionů let. Díky svému dlouhému poločasu je U-235 nejlepším izotopem pro radioaktivní datování, zejména starších fosilií a hornin.
C-14 je další radioaktivní izotop, který se rozpadá na C-12. Tento izotop se nachází ve všech živých organismech. Jakmile organismus zemře, C-14 se začne rozpadat. Poločas rozpadu C-14 je však pouze 5 730 let. Kvůli krátkému poločasu je počet izotopů C-14 ve vzorku po zhruba 50 000 letech zanedbatelný, což znemožňuje použití pro datování starších vzorků. C-14 se často používá při datování artefaktů od lidí.