Muitas rochas e organismos contêm isótopos radioativos, como U-235 e C-14. Esses isótopos radioativos são instáveis, decaindo com o tempo a uma taxa previsível. À medida que os isótopos decaem, eles liberam partículas de seu núcleo e se tornam um isótopo diferente. O isótopo pai é o isótopo instável original, e os isótopos filhos são o produto estável do decaimento. Meia-vida é a quantidade de tempo que leva para metade dos isótopos pais decair. A decadência ocorre em escala logarítmica. Por exemplo, a meia-vida do C-14 é 5.730 anos. Nos primeiros 5.730 anos, o organismo perderá metade de seus isótopos C-14. Em outros 5.730 anos, o organismo perderá outra metade dos isótopos C-14 restantes. Este processo continua ao longo do tempo, com o organismo perdendo metade dos isótopos C-14 restantes a cada 5.730 anos.
Os fósseis são coletados junto com as rochas que ocorrem nos mesmos estratos. Essas amostras são cuidadosamente catalogadas e analisadas com um espectrômetro de massa. O espectrômetro de massa é capaz de fornecer informações sobre o tipo e a quantidade de isótopos encontrados na rocha. Os cientistas descobriram a proporção do isótopo pai para o isótopo filho. Comparando essa proporção com a escala logarítmica de meia-vida do isótopo pai, eles são capazes de encontrar a idade da rocha ou fóssil em questão.
Existem vários isótopos radioativos comuns que são usados para datar rochas, artefatos e fósseis. O mais comum é o U-235. O U-235 é encontrado em muitas rochas ígneas, solo e sedimentos. O U-235 decai para Pb-207 com meia-vida de 704 milhões de anos. Devido à sua meia-vida longa, o U-235 é o melhor isótopo para datação radioativa, principalmente de fósseis e rochas mais antigos.
C-14 é outro isótopo radioativo que decai em C-12. Este isótopo é encontrado em todos os organismos vivos. Assim que um organismo morre, o C-14 começa a se decompor. A meia-vida do C-14, entretanto, é de apenas 5.730 anos. Por causa de sua meia-vida curta, o número de isótopos C-14 em uma amostra é insignificante após cerca de 50.000 anos, tornando impossível o uso para datação de amostras mais antigas. O C-14 é frequentemente usado na datação de artefatos de humanos.