Paljud kivimid ja organismid sisaldavad radioaktiivseid isotoope, näiteks U-235 ja C-14. Need radioaktiivsed isotoopid on ebastabiilsed, lagunevad aja jooksul prognoositava kiirusega. Isotoopide lagunemisel eraldavad nad oma tuumast osakesed ja muutuvad erinevaks isotoopiks. Lähteisotoop on algne ebastabiilne isotoop ja tütreisotoopid on lagunemise stabiilne saadus. Poolväärtusaeg on aeg, mis kulub pooltel vanemate isotoopide lagunemisel. Lagunemine toimub logaritmilisel skaalal. Näiteks on C-14 poolväärtusaeg 5730 aastat. Esimese 5730 aasta jooksul kaotab organism poole oma C-14 isotoopidest. Veel 5730 aasta pärast kaotab organism veel poole ülejäänud C-14 isotoopidest. See protsess jätkub aja jooksul, kusjuures organism kaotab pooled ülejäänud C-14 isotoopidest 5730 aasta jooksul.
Kivistised kogutakse koos kivimitega, mis esinevad samadest kihtidest. Need proovid kataloogitakse hoolikalt ja analüüsitakse massispektromeetriga. Massispektromeeter suudab anda teavet kivimis leiduvate isotoopide tüübi ja hulga kohta. Teadlased leiavad vanema isotoobi ja tütre isotoobi suhte. Võrreldes seda suhet vanema isotoobi poolväärtusaja logaritmilise skaalaga, suudavad nad leida kõnealuse kivimi või fossiili vanuse.
On mitmeid levinud radioaktiivseid isotoope, mida kasutatakse kivimite, artefaktide ja fossiilide dateerimiseks. Kõige tavalisem on U-235. U-235 leidub paljudes magmakivimites, pinnases ja setetes. U-235 laguneb Pb-207-ni, poolestusaeg on 704 miljonit aastat. Pika poolväärtusaja tõttu on U-235 parim radioaktiivse dateerimise isotoop, eriti vanemate fossiilide ja kivimite puhul.
C-14 on teine radioaktiivne isotoop, mis laguneb C-12-ks. Seda isotoopi leidub kõigis elusorganismides. Kui organism sureb, hakkab C-14 lagunema. C-14 poolväärtusaeg on aga ainult 5730 aastat. Lühikese poolestusaja tõttu on C-14 isotoopide arv proovis umbes 50 000 aasta pärast tühine, mistõttu on vanemate proovide dateerimiseks võimatu kasutada. C-14 kasutatakse sageli inimeste artefaktide dateerimisel.