Veel gesteenten en organismen bevatten radioactieve isotopen, zoals U-235 en C-14. Deze radioactieve isotopen zijn onstabiel en vervallen in de loop van de tijd met een voorspelbare snelheid. Naarmate de isotopen vervallen, geven ze deeltjes uit hun kern af en worden ze een andere isotoop. De ouderisotoop is de oorspronkelijke onstabiele isotoop en dochterisotopen zijn het stabiele product van het verval. Halfwaardetijd is de tijd die nodig is om de helft van de ouderisotopen te laten vervallen. Het verval vindt plaats op een logaritmische schaal. De halfwaardetijd van C-14 is bijvoorbeeld 5.730 jaar. In de eerste 5.730 jaar zal het organisme de helft van zijn C-14-isotopen verliezen. Over nog eens 5.730 jaar zal het organisme nog eens de helft van de resterende C-14-isotopen verliezen. Dit proces gaat in de loop van de tijd door, waarbij het organisme elke 5.730 jaar de helft van de resterende C-14-isotopen verliest.
Fossielen worden verzameld samen met rotsen die uit dezelfde lagen voorkomen. Deze monsters worden zorgvuldig gecatalogiseerd en geanalyseerd met een massaspectrometer. De massaspectrometer kan informatie geven over het type en de hoeveelheid isotopen die in het gesteente worden gevonden. Wetenschappers vinden de verhouding tussen ouderisotoop en dochterisotoop. Door deze verhouding te vergelijken met de logaritmische schaal van de halfwaardetijd van de ouderisotoop, kunnen ze de leeftijd van het betreffende gesteente of fossiel vinden.
Er zijn verschillende veel voorkomende radioactieve isotopen die worden gebruikt voor het dateren van rotsen, artefacten en fossielen. De meest voorkomende is U-235. U-235 wordt gevonden in veel stollingsgesteenten, grond en sediment. U-235 vervalt tot Pb-207 met een halfwaardetijd van 704 miljoen jaar. Vanwege de lange halfwaardetijd is U-235 de beste isotoop voor radioactieve datering, met name van oudere fossielen en gesteenten.
C-14 is een andere radioactieve isotoop die vervalt tot C-12. Deze isotoop komt in alle levende organismen voor. Zodra een organisme sterft, begint de C-14 te vervallen. De halfwaardetijd van C-14 is echter slechts 5.730 jaar. Vanwege de korte halfwaardetijd is het aantal C-14-isotopen in een monster verwaarloosbaar na ongeveer 50.000 jaar, waardoor het onmogelijk is om oudere monsters te dateren. C-14 wordt vaak gebruikt bij het dateren van artefacten van mensen.