Mange klipper og organismer indeholder radioaktive isotoper, såsom U-235 og C-14. Disse radioaktive isotoper er ustabile og henfalder over tid med en forudsigelig hastighed. Efterhånden som isotoperne henfalder, afgiver de partikler fra deres kerne og bliver en anden isotop. Forældreisotopen er den oprindelige ustabile isotop, og datterisotoper er det stabile produkt af henfaldet. Halveringstid er den tid, det tager for halvdelen af de forældre isotoper at henfalde. Henfaldet sker på en logaritmisk skala. For eksempel er halveringstiden for C-14 5.730 år. I de første 5.730 år vil organismen miste halvdelen af sine C-14 isotoper. Om yderligere 5.730 år mister organismen endnu en halvdel af de resterende C-14 isotoper. Denne proces fortsætter over tid, hvor organismen mister halvdelen af de resterende C-14 isotoper hver 5.730 år.
Fossiler samles sammen med klipper, der forekommer fra de samme lag. Disse prøver er nøje katalogiseret og analyseret med et massespektrometer. Massespektrometeret er i stand til at give information om typen og mængden af isotoper, der findes i klippen. Forskere finder forholdet mellem moderisotop og datterisotop. Ved at sammenligne dette forhold med den logaritmiske skala for halveringstiden for moderisotopen er de i stand til at finde alderen på den pågældende klippe eller fossil.
Der er flere almindelige radioaktive isotoper, der bruges til datering af klipper, artefakter og fossiler. Den mest almindelige er U-235. U-235 findes i mange vulkanske klipper, jord og sediment. U-235 henfalder til Pb-207 med en halveringstid på 704 millioner år. På grund af sin lange halveringstid er U-235 den bedste isotop til radioaktiv datering, især af ældre fossiler og klipper.
C-14 er en anden radioaktiv isotop, der henfalder til C-12. Denne isotop findes i alle levende organismer. Når en organisme dør, begynder C-14 at henfalde. Halveringstiden for C-14 er dog kun 5.730 år. På grund af sin korte halveringstid er antallet af C-14 isotoper i en prøve ubetydeligt efter ca. 50.000 år, hvilket gør det umuligt at bruge til datering af ældre prøver. C-14 bruges ofte til datering af artefakter fra mennesker.