Multe roci și organisme conțin izotopi radioactivi, cum ar fi U-235 și C-14. Acești izotopi radioactivi sunt instabili, decăzând în timp cu o rată previzibilă. Pe măsură ce izotopii se descompun, aceștia degajă particule din nucleul lor și devin un izotop diferit. Izotopul părinte este izotopul instabil original, iar izotopii fiice sunt produsul stabil al decăderii. Timpul de înjumătățire este cantitatea de timp necesară pentru ca jumătate din izotopii părinți să se descompună. Decăderea are loc pe o scară logaritmică. De exemplu, timpul de înjumătățire al C-14 este de 5.730 de ani. În primii 5.730 de ani, organismul va pierde jumătate din izotopii săi C-14. În alți 5.730 de ani, organismul va pierde încă o jumătate din izotopii C-14 rămași. Acest proces continuă în timp, organismul pierzând jumătate din izotopii C-14 rămași la fiecare 5.730 de ani.
Fosilele sunt colectate împreună cu roci care apar din aceleași straturi. Aceste probe sunt catalogate cu atenție și analizate cu un spectrometru de masă. Spectrometrul de masă este capabil să ofere informații despre tipul și cantitatea de izotopi găsiți în rocă. Oamenii de știință găsesc raportul dintre izotopul părinte și izotopul fiică. Comparând acest raport cu scara logaritmică de înjumătățire a izotopului părinte, aceștia sunt capabili să găsească vârsta rocii sau a fosilei în cauză.
Există mai mulți izotopi radioactivi comuni care sunt folosiți pentru datarea rocilor, a artefactelor și a fosilelor. Cel mai frecvent este U-235. U-235 se găsește în multe roci magne, sol și sedimente. U-235 scade la Pb-207 cu un timp de înjumătățire de 704 milioane de ani. Datorită perioadei sale de înjumătățire îndelungate, U-235 este cel mai bun izotop pentru datarea radioactivă, în special a fosilelor și rocilor mai vechi.
C-14 este un alt izotop radioactiv care se descompune la C-12. Acest izotop se găsește în toate organismele vii. Odată ce un organism moare, C-14 începe să se descompună. Cu toate acestea, timpul de înjumătățire al C-14 este de doar 5.730 de ani. Datorită perioadei sale de înjumătățire scurtă, numărul izotopilor C-14 dintr-un eșantion este neglijabil după aproximativ 50.000 de ani, ceea ce face imposibilă utilizarea acestuia pentru datarea eșantioanelor mai vechi. C-14 este folosit adesea în întâlnirile cu artefacte de la oameni.