Banyak batuan dan organisme mengandung isotop radioaktif, seperti U-235 dan C-14. Isotop radioaktif ini tidak stabil, meluruh dari waktu ke waktu pada tingkat yang dapat diprediksi. Saat isotop meluruh, mereka mengeluarkan partikel dari nukleusnya dan menjadi isotop yang berbeda. Isotop induk adalah isotop tidak stabil asli, dan isotop anak adalah produk stabil dari peluruhan. Waktu paruh adalah jumlah waktu yang dibutuhkan setengah dari isotop induk untuk meluruh. Peluruhan terjadi pada skala logaritmik. Misalnya, waktu paruh C-14 adalah 5.730 tahun. Dalam 5.730 tahun pertama, organisme akan kehilangan setengah dari isotop C-14-nya. Dalam 5.730 tahun lagi, organisme akan kehilangan setengah dari sisa isotop C-14. Proses ini berlanjut dari waktu ke waktu, dengan organisme kehilangan setengah dari sisa isotop C-14 setiap 5.730 tahun.
Fosil dikumpulkan bersama dengan batuan yang muncul dari strata yang sama. Sampel ini secara hati-hati dikatalogkan dan dianalisis dengan spektrometer massa. Spektrometer massa mampu memberikan informasi tentang jenis dan jumlah isotop yang terdapat pada batuan. Para ilmuwan menemukan rasio isotop induk dengan isotop anak. Dengan membandingkan rasio ini dengan skala logaritmik paruh waktu dari isotop induk, mereka dapat menemukan usia batuan atau fosil yang dimaksud.
Ada beberapa isotop radioaktif umum yang digunakan untuk penanggalan batuan, artefak, dan fosil. Yang paling umum adalah U-235. U-235 ditemukan di banyak batuan beku, tanah dan sedimen. U-235 meluruh menjadi Pb-207 dengan waktu paruh 704 juta tahun. Karena waktu paruhnya yang panjang, U-235 adalah isotop terbaik untuk penanggalan radioaktif, terutama untuk fosil dan batuan yang lebih tua.
C-14 adalah isotop radioaktif lain yang meluruh menjadi C-12. Isotop ini ditemukan di semua organisme hidup. Setelah organisme mati, C-14 mulai membusuk. Waktu paruh C-14, bagaimanapun, hanya 5.730 tahun. Karena waktu paruhnya yang pendek, jumlah isotop C-14 dalam sampel dapat diabaikan setelah sekitar 50.000 tahun, sehingga tidak mungkin digunakan untuk penanggalan sampel yang lebih tua. C-14 sering digunakan dalam penanggalan artefak dari manusia.
