Monet kivet ja organismit sisältävät radioaktiivisia isotooppeja, kuten U-235 ja C-14. Nämä radioaktiiviset isotoopit ovat epävakaita, hajoavat ajan myötä ennustettavissa olevalla nopeudella. Kun isotoopit hajoavat, ne luovuttavat hiukkasia ytimestään ja niistä tulee eri isotooppeja. Perusisotooppi on alkuperäinen epästabiili isotooppi, ja tytärisotoopit ovat hajoamisen stabiili tuote. Puoliintumisaika on aika, jonka kuluu puoleen vanhempien isotooppien hajoamisesta. Hajoaminen tapahtuu logaritmisessa mittakaavassa. Esimerkiksi C-14: n puoliintumisaika on 5730 vuotta. Ensimmäisten 5730 vuoden aikana organismi menettää puolet C-14-isotoopeistaan. Toisen 5730 vuoden kuluttua organismi menettää vielä puolet jäljellä olevista C-14-isotoopeista. Tämä prosessi jatkuu ajan myötä, jolloin organismi menettää puolet jäljellä olevista C-14-isotoopeista joka 5.730 vuotta.
Fossiilit kerätään yhdessä samoista kerroksista peräisin olevien kivien kanssa. Nämä näytteet luetteloidaan huolellisesti ja analysoidaan massaspektrometrillä. Massaspektrometri pystyy antamaan tietoa kivestä löydettyjen isotooppien tyypistä ja määrästä. Tutkijat löytävät emoisotoopin ja tytärisotoopin suhteen. Vertaamalla tätä suhdetta emoisotoopin puoliintumisajan logaritmiseen asteikkoon he pystyvät löytämään kyseessä olevan kiven tai fossiilin iän.
On olemassa useita yleisiä radioaktiivisia isotooppeja, joita käytetään kivien, esineiden ja fossiilien dating. Yleisin on U-235. U-235 löytyy monista magmakivistä, maaperästä ja sedimentistä. U-235 hajoaa Pb-207: ksi, jonka puoliintumisaika on 704 miljoonaa vuotta. Pitkän puoliintumisajansa vuoksi U-235 on paras isotooppi radioaktiiviselle datalle, erityisesti vanhemmille fossiileille ja kiville.
C-14 on toinen radioaktiivinen isotooppi, joka hajoaa C-12: ksi. Tätä isotooppia löytyy kaikista elävistä organismeista. Kun organismi kuolee, C-14 alkaa hajota. C-14: n puoliintumisaika on kuitenkin vain 5730 vuotta. Lyhyen puoliintumisajansa vuoksi näytteessä olevien C-14-isotooppien määrä on merkityksetön noin 50000 vuoden kuluttua, mikä tekee mahdottomaksi käyttää vanhempien näytteiden dating. C-14: tä käytetään usein ihmisten artefakteissa.