Mange bergarter og organismer inneholder radioaktive isotoper, som U-235 og C-14. Disse radioaktive isotoper er ustabile og forfaller over tid i en forutsigbar hastighet. Når isotopene forfaller, avgir de partikler fra kjernen og blir en annen isotop. Overordnet isotop er den opprinnelige ustabile isotopen, og datterisotoper er det stabile forfallet. Halveringstid er hvor lang tid det tar før halvparten av foreldrenes isotoper forfaller. Forfallet skjer på en logaritmisk skala. For eksempel er halveringstiden til C-14 5730 år. I løpet av de første 5730 årene vil organismen miste halvparten av sine C-14 isotoper. I løpet av ytterligere 5730 år vil organismen miste ytterligere halvparten av de gjenværende C-14 isotopene. Denne prosessen fortsetter over tid, med at organismen mister halvparten av de gjenværende C-14 isotoper hver 5730 år.
Fossiler blir samlet sammen med bergarter som oppstår fra samme lag. Disse prøvene blir nøye katalogisert og analysert med et massespektrometer. Massespektrometeret er i stand til å gi informasjon om typen og mengden av isotoper som finnes i fjellet. Forskere finner forholdet mellom foreldreisotop og datterisotop. Ved å sammenligne dette forholdet med den halveringstiden logaritmiske skalaen til den overordnede isotopen, er de i stand til å finne alderen på den aktuelle bergarten eller fossilen.
Det er flere vanlige radioaktive isotoper som brukes til datering av bergarter, gjenstander og fossiler. Den vanligste er U-235. U-235 finnes i mange magmatiske bergarter, jord og sediment. U-235 forfaller til Pb-207 med en halveringstid på 704 millioner år. På grunn av sin lange halveringstid er U-235 den beste isotopen for radioaktiv datering, spesielt eldre fossiler og bergarter.
C-14 er en annen radioaktiv isotop som forfaller til C-12. Denne isotopen finnes i alle levende organismer. Når en organisme dør, begynner C-14 å forfalle. Halveringstiden til C-14 er imidlertid bare 5730 år. På grunn av den korte halveringstiden er antallet C-14-isotoper i en prøve ubetydelig etter omtrent 50 000 år, noe som gjør det umulig å bruke til å datere eldre prøver. C-14 brukes ofte til å datere gjenstander fra mennesker.