Mnoho hornín a organizmov obsahuje rádioaktívne izotopy, napríklad U-235 a C-14. Tieto rádioaktívne izotopy sú nestabilné a časom sa rozpadajú predvídateľnou rýchlosťou. Keď sa izotopy rozpadajú, vydávajú častice zo svojho jadra a stávajú sa iným izotopom. Materský izotop je pôvodný nestabilný izotop a dcérske izotopy sú stabilným produktom rozpadu. Polčas rozpadu je množstvo času, ktoré trvá rozpadu polovice rodičovských izotopov. K rozpadu dochádza v logaritmickej mierke. Napríklad polčas C-14 je 5 730 rokov. Za prvých 5 730 rokov stratí organizmus polovicu svojich izotopov C-14. Za ďalších 5 730 rokov stratí organizmus ďalšiu polovicu zvyšných izotopov C-14. Tento proces pokračuje v priebehu času, pričom organizmus stratí polovicu zvyšných izotopov C-14 každých 5 730 rokov.
Fosílie sa zbierajú spolu s horninami, ktoré sa vyskytujú z rovnakých vrstiev. Tieto vzorky sú starostlivo katalogizované a analyzované hmotnostným spektrometrom. Hmotnostný spektrometer je schopný poskytnúť informácie o druhu a množstve izotopov nachádzajúcich sa v hornine. Vedci zisťujú pomer rodičovského izotopu k dcérskemu izotopu. Porovnaním tohto pomeru s logaritmickou mierkou polčasu rozpadu pôvodného izotopu sú schopní zistiť vek predmetnej horniny alebo fosílie.
Existuje niekoľko bežných rádioaktívnych izotopov, ktoré sa používajú na datovanie hornín, artefaktov a fosílií. Najbežnejšia je U-235. U-235 sa nachádza v mnohých vyvretých horninách, pôde a sedimentoch. U-235 sa rozpadá na Pb-207 s polčasom rozpadu 704 miliónov rokov. Vďaka svojmu dlhému polčasu rozpadu je U-235 najlepším izotopom na rádioaktívne datovanie, najmä starších fosílií a hornín.
C-14 je ďalší rádioaktívny izotop, ktorý sa rozpadá na C-12. Tento izotop sa nachádza vo všetkých živých organizmoch. Akonáhle organizmus zomrie, C-14 sa začne rozpadávať. Polčas rozpadu C-14 je však iba 5 730 rokov. Pre svoj krátky polčas je počet izotopov C-14 vo vzorke po asi 50 000 rokoch zanedbateľný, čo znemožňuje použitie pre datovanie starších vzoriek. C-14 sa často používa na datovanie artefaktov od ľudí.