Številne kamnine in organizmi vsebujejo radioaktivne izotope, kot sta U-235 in C-14. Ti radioaktivni izotopi so nestabilni in sčasoma propadajo s predvidljivo hitrostjo. Ko izotopi propadajo, oddajajo delce iz svojega jedra in postanejo drugačen izotop. Nadrejeni izotop je prvotni nestabilni izotop, hčerinski izotopi pa so stabilen produkt razpada. Razpolovna doba je čas, ki traja, da polovica starševskih izotopov propade. Razpad se pojavi v logaritemski lestvici. Na primer, razpolovna doba C-14 je 5.730 let. V prvih 5730 letih bo organizem izgubil polovico izotopov C-14. V naslednjih 5730 letih bo organizem izgubil še polovico preostalih izotopov C-14. Ta proces se nadaljuje s časom, pri čemer organizem vsakih 5.730 let izgubi polovico preostalih izotopov C-14.
Fosili se zbirajo skupaj s kamenjem, ki izvira iz istih plasti. Te vzorce skrbno katalogiziramo in analiziramo z masnim spektrometrom. Masni spektrometer lahko daje informacije o vrsti in količini izotopov v kamninah. Znanstveniki ugotovijo razmerje med starševskim izotopom in hčerinskim izotopom. S primerjavo tega razmerja z logaritemsko razpolovno dobo matičnega izotopa lahko ugotovijo starost zadevne kamnine ali fosila.
Obstaja več običajnih radioaktivnih izotopov, ki se uporabljajo za datiranje kamnin, artefaktov in fosilov. Najpogostejši je U-235. U-235 najdemo v številnih magmatskih kamninah, tleh in usedlinah. U-235 razpade na Pb-207 z razpolovno dobo 704 milijonov let. Zaradi dolge razpolovne dobe je U-235 najboljši izotop za radioaktivno datiranje, zlasti starejših fosilov in kamnin.
C-14 je še en radioaktivni izotop, ki razpade na C-12. Ta izotop najdemo v vseh živih organizmih. Ko organizem umre, začne C-14 propadati. Razpolovna doba C-14 pa je le 5.730 let. Zaradi kratkega razpolovnega časa je število izotopov C-14 v vzorcu po približno 50.000 letih zanemarljivo, zato ga ni mogoče uporabiti za datiranje starejših vzorcev. C-14 se pogosto uporablja pri datiranju artefaktov od ljudi.