Mnoge stijene i organizmi sadrže radioaktivne izotope, poput U-235 i C-14. Ti su radioaktivni izotopi nestabilni, vremenom propadaju predvidljivom brzinom. Kako se izotopi raspadaju, oni odaju čestice iz svoje jezgre i postaju drugačiji izotop. Roditeljski izotop izvorni je nestabilni izotop, a kćerinski izotopi stabilni su proizvod raspada. Vrijeme poluraspada je vrijeme potrebno za propadanje polovice roditeljskih izotopa. Raspad se događa na logaritamskoj skali. Primjerice, vrijeme poluraspada C-14 je 5.730 godina. U prvih 5730 godina organizam će izgubiti polovicu izotopa C-14. Za sljedećih 5730 godina organizam će izgubiti još polovicu preostalih izotopa C-14. Taj se proces nastavlja s vremenom, pri čemu organizam gubi polovicu preostalih izotopa C-14 svake 5.730 godina.
Fosili se skupljaju zajedno sa stijenama koje nastaju iz istih slojeva. Ti se uzorci pažljivo katalogiziraju i analiziraju spektrometrom masa. Maseni spektrometar može dati informacije o vrsti i količini izotopa pronađenih u stijeni. Znanstvenici pronalaze omjer roditeljskog izotopa i izotopa kćeri. Usporedbom ovog omjera s logaritamskom skalom poluživota matičnog izotopa, oni mogu pronaći starost dotične stijene ili fosila.
Postoji nekoliko uobičajenih radioaktivnih izotopa koji se koriste za datiranje stijena, artefakata i fosila. Najčešći je U-235. U-235 se nalazi u mnogim magmatskim stijenama, tlu i sedimentu. U-235 se raspada na Pb-207 s poluvijekom od 704 milijuna godina. Zbog svog dugog vremena poluraspada, U-235 je najbolji izotop za radioaktivno datiranje, posebno starijih fosila i stijena.
C-14 je još jedan radioaktivni izotop koji se raspada do C-12. Ovaj se izotop nalazi u svim živim organizmima. Jednom kada organizam umre, C-14 počinje propadati. Poluvrijeme C-14, međutim, iznosi samo 5730 godina. Zbog kratkog poluvijeka, broj izotopa C-14 u uzorku zanemariv je nakon oko 50 000 godina, što ga čini nemogućim za datiranje starijih uzoraka. C-14 se često koristi u datiranju artefakata od ljudi.