Πολλοί βράχοι και οργανισμοί περιέχουν ραδιενεργά ισότοπα, όπως U-235 και C-14. Αυτά τα ραδιενεργά ισότοπα είναι ασταθή, αποσυντίθενται με την πάροδο του χρόνου με προβλέψιμο ρυθμό. Καθώς τα ισότοπα αποσυντίθενται, εκλύουν σωματίδια από τον πυρήνα τους και γίνονται ένα διαφορετικό ισότοπο. Το γονικό ισότοπο είναι το αρχικό ασταθές ισότοπο και τα θυγατρικά ισότοπα είναι το σταθερό προϊόν της αποσύνθεσης. Ο χρόνος ημίσειας ζωής είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να αποσυντεθούν τα μισά από τα γονικά ισότοπα. Η αποσύνθεση συμβαίνει σε λογαριθμική κλίμακα. Για παράδειγμα, ο χρόνος ημιζωής του C-14 είναι 5.730 χρόνια. Στα πρώτα 5.730 χρόνια, ο οργανισμός θα χάσει τα μισά από τα ισότοπά του C-14. Σε άλλα 5.730 χρόνια, ο οργανισμός θα χάσει άλλο μισό από τα υπόλοιπα ισότοπα C-14. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται με την πάροδο του χρόνου, με τον οργανισμό να χάνει τα μισά από τα υπόλοιπα C-14 ισότοπα κάθε 5.730 χρόνια.
Τα απολιθώματα συλλέγονται μαζί με πετρώματα που εμφανίζονται από τα ίδια στρώματα. Αυτά τα δείγματα καταγράφονται προσεκτικά και αναλύονται με φασματόμετρο μάζας. Το φασματόμετρο μάζας μπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά με τον τύπο και την ποσότητα των ισοτόπων που βρίσκονται στο βράχο. Οι επιστήμονες βρίσκουν την αναλογία του γονικού ισοτόπου προς το θυγατρικό ισότοπο. Συγκρίνοντας αυτήν την αναλογία με τη λογαριθμική κλίμακα ημιζωής του γονικού ισότοπου, είναι σε θέση να βρουν την ηλικία του εν λόγω βράχου ή απολιθωμάτων.
Υπάρχουν πολλά κοινά ραδιενεργά ισότοπα που χρησιμοποιούνται για τη χρονολόγηση πετρωμάτων, αντικειμένων και απολιθωμάτων. Το πιο συνηθισμένο είναι το U-235. Το U-235 βρίσκεται σε πολλά πυριγενή πετρώματα, χώμα και ιζήματα. Το U-235 εξασθενεί σε Pb-207 με χρόνο ημιζωής 704 εκατομμύρια χρόνια. Λόγω του μεγάλου χρόνου ημιζωής του, το U-235 είναι το καλύτερο ισότοπο για ραδιενεργό ραντεβού, ιδιαίτερα για παλαιότερα απολιθώματα και βράχους.
Το C-14 είναι ένα άλλο ραδιενεργό ισότοπο που αποσυντίθεται στο C-12. Αυτό το ισότοπο βρίσκεται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Μόλις ένας οργανισμός πεθάνει, το C-14 αρχίζει να αποσυντίθεται. Ο χρόνος ημίσειας ζωής του C-14, ωστόσο, είναι μόνο 5.730 χρόνια. Λόγω του μικρού χρόνου ημιζωής του, ο αριθμός των ισοτόπων C-14 σε ένα δείγμα είναι αμελητέος μετά από περίπου 50.000 χρόνια, καθιστώντας αδύνατη τη χρήση για χρονολόγηση παλαιότερων δειγμάτων. Το C-14 χρησιμοποιείται συχνά στη χρονολόγηση αντικειμένων από ανθρώπους.
