De nombreuses roches et organismes contiennent des isotopes radioactifs, tels que l'U-235 et le C-14. Ces isotopes radioactifs sont instables et se désintègrent avec le temps à un rythme prévisible. Au fur et à mesure que les isotopes se désintègrent, ils dégagent des particules de leur noyau et deviennent un isotope différent. L'isotope parent est l'isotope instable d'origine et les isotopes filles sont le produit stable de la désintégration. La demi-vie est le temps qu'il faut à la moitié des isotopes parents pour se désintégrer. La décroissance se produit sur une échelle logarithmique. Par exemple, la demi-vie du C-14 est de 5 730 ans. Au cours des 5 730 premières années, l'organisme perdra la moitié de ses isotopes C-14. Dans 5 730 ans, l'organisme perdra une autre moitié des isotopes C-14 restants. Ce processus se poursuit dans le temps, l'organisme perdant la moitié des isotopes C-14 restants tous les 5 730 ans.
Les fossiles sont collectés avec les roches provenant des mêmes strates. Ces échantillons sont soigneusement catalogués et analysés avec un spectromètre de masse. Le spectromètre de masse est capable de donner des informations sur le type et la quantité d'isotopes trouvés dans la roche. Les scientifiques trouvent le rapport entre l'isotope parent et l'isotope fille. En comparant ce rapport à l'échelle logarithmique de demi-vie de l'isotope parent, ils sont capables de trouver l'âge de la roche ou du fossile en question.
Il existe plusieurs isotopes radioactifs courants qui sont utilisés pour dater les roches, les artefacts et les fossiles. Le plus courant est le U-235. L'U-235 se trouve dans de nombreuses roches ignées, sols et sédiments. L'U-235 se désintègre en Pb-207 avec une demi-vie de 704 millions d'années. En raison de sa longue demi-vie, l'U-235 est le meilleur isotope pour la datation radioactive, en particulier des fossiles et des roches plus anciens.
Le C-14 est un autre isotope radioactif qui se désintègre en C-12. Cet isotope est présent dans tous les organismes vivants. Une fois qu'un organisme meurt, le C-14 commence à se décomposer. La demi-vie du C-14, cependant, n'est que de 5 730 ans. En raison de sa courte demi-vie, le nombre d'isotopes C-14 dans un échantillon est négligeable après environ 50 000 ans, ce qui le rend impossible à utiliser pour dater des échantillons plus anciens. Le C-14 est souvent utilisé pour dater des artefacts humains.