Wiele skał i organizmów zawiera radioaktywne izotopy, takie jak U-235 i C-14. Te radioaktywne izotopy są niestabilne i z czasem ulegają rozkładowi w przewidywalnym tempie. W miarę rozpadu izotopy wydzielają cząstki ze swojego jądra i stają się innym izotopem. Izotop macierzysty jest izotopem pierwotnym niestabilnym, a izotopy potomne są stabilnym produktem rozpadu. Okres półtrwania to czas potrzebny do rozpadu połowy izotopów macierzystych. Rozpad następuje w skali logarytmicznej. Na przykład okres półtrwania C-14 wynosi 5730 lat. W ciągu pierwszych 5730 lat organizm straci połowę swoich izotopów C-14. W ciągu kolejnych 5730 lat organizm straci kolejną połowę pozostałych izotopów C-14. Proces ten trwa w czasie, a organizm traci połowę pozostałych izotopów C-14 co 5730 lat.
Skamieniałości są gromadzone wraz ze skałami pochodzącymi z tych samych warstw. Próbki te są starannie skatalogowane i analizowane za pomocą spektrometru mas. Spektrometr mas jest w stanie dostarczyć informacji o rodzaju i ilości izotopów znalezionych w skale. Naukowcy odkryli stosunek izotopu rodzicielskiego do izotopu potomnego. Porównując ten stosunek do logarytmicznej skali półtrwania macierzystego izotopu, są w stanie określić wiek danej skały lub skamieniałości.
Istnieje kilka powszechnych izotopów promieniotwórczych używanych do datowania skał, artefaktów i skamieniałości. Najczęstszym jest U-235. U-235 znajduje się w wielu skałach magmowych, glebie i osadach. U-235 rozpada się na Pb-207 z okresem półtrwania 704 milionów lat. Ze względu na długi okres półtrwania U-235 jest najlepszym izotopem do datowania radioaktywnego, zwłaszcza starszych skamieniałości i skał.
C-14 to kolejny radioaktywny izotop, który rozpada się na C-12. Ten izotop znajduje się we wszystkich żywych organizmach. Gdy organizm umiera, C-14 zaczyna się rozkładać. Okres półtrwania C-14 wynosi jednak tylko 5730 lat. Ze względu na krótki okres półtrwania, liczba izotopów C-14 w próbce jest pomijalna po około 50 000 lat, co uniemożliwia datowanie starszych próbek. C-14 jest często używany do datowania artefaktów pochodzących od ludzi.