कई चट्टानों और जीवों में रेडियोधर्मी समस्थानिक होते हैं, जैसे U-235 और C-14। ये रेडियोधर्मी समस्थानिक अस्थिर होते हैं, समय के साथ अनुमानित दर पर क्षय होते हैं। जैसे ही समस्थानिकों का क्षय होता है, वे अपने नाभिक से कण छोड़ते हैं और एक अलग समस्थानिक बन जाते हैं। मूल समस्थानिक मूल अस्थिर समस्थानिक है, और बेटी समस्थानिक क्षय का स्थिर उत्पाद है। आधा जीवन मूल समस्थानिकों के आधे को क्षय होने में लगने वाले समय की मात्रा है। क्षय एक लघुगणकीय पैमाने पर होता है। उदाहरण के लिए, C-14 का आधा जीवन 5,730 वर्ष है। पहले 5,730 वर्षों में, जीव अपने C-14 समस्थानिकों का आधा हिस्सा खो देगा। अगले 5,730 वर्षों में, जीव शेष C-14 समस्थानिकों का आधा हिस्सा खो देगा। यह प्रक्रिया समय के साथ जारी रहती है, प्रत्येक 5,730 वर्षों में जीव शेष C-14 समस्थानिकों में से आधे को खो देता है।
जीवाश्मों को चट्टानों के साथ एकत्र किया जाता है जो एक ही स्तर से होते हैं। इन नमूनों को सावधानीपूर्वक सूचीबद्ध किया जाता है और मास स्पेक्ट्रोमीटर के साथ उनका विश्लेषण किया जाता है। मास स्पेक्ट्रोमीटर चट्टान में पाए जाने वाले समस्थानिकों के प्रकार और मात्रा के बारे में जानकारी देने में सक्षम है। वैज्ञानिकों ने माता-पिता के समस्थानिक का पुत्री समस्थानिक से अनुपात ज्ञात किया है। इस अनुपात की तुलना जनक समस्थानिक के अर्ध-आयु लघुगणकीय पैमाने से करके, वे प्रश्न में चट्टान या जीवाश्म की आयु का पता लगाने में सक्षम हैं।
कई सामान्य रेडियोधर्मी समस्थानिक हैं जिनका उपयोग चट्टानों, कलाकृतियों और जीवाश्मों के डेटिंग के लिए किया जाता है। सबसे आम U-235 है। U-235 कई आग्नेय चट्टानों, मिट्टी और तलछट में पाया जाता है। U-235 704 मिलियन वर्षों के आधे जीवन के साथ Pb-207 में क्षय हो जाता है। अपने लंबे आधे जीवन के कारण, U-235 रेडियोधर्मी डेटिंग के लिए सबसे अच्छा आइसोटोप है, विशेष रूप से पुराने जीवाश्मों और चट्टानों का।
C-14 एक अन्य रेडियोधर्मी समस्थानिक है जो C-12 में क्षय होता है। यह समस्थानिक सभी जीवों में पाया जाता है। एक बार जब जीव मर जाता है, तो C-14 का क्षय होना शुरू हो जाता है। हालाँकि, C-14 का आधा जीवन केवल 5,730 वर्ष है। अपने छोटे आधे जीवन के कारण, एक नमूने में C-14 समस्थानिकों की संख्या लगभग 50,000 वर्षों के बाद नगण्य है, जिससे पुराने नमूनों की डेटिंग के लिए उपयोग करना असंभव हो जाता है। C-14 का उपयोग अक्सर मनुष्यों से डेटिंग कलाकृतियों में किया जाता है।