Многе стене и организми садрже радиоактивне изотопе, попут У-235 и Ц-14. Ови радиоактивни изотопи су нестабилни, временом се распадају предвидљивом брзином. Како се изотопи распадају, они одају честице из свог језгра и постају другачији изотоп. Родитељски изотоп је изворни нестабилни изотоп, а кћерки изотопи су стабилни производ распадања. Време полураспада је време потребно за пропадање половине родитељских изотопа. Распад се јавља на логаритамској скали. На пример, време полураспада Ц-14 је 5.730 година. У првих 5.730 година, организам ће изгубити половину изотопа Ц-14. За следећих 5.730 година, организам ће изгубити још половину преосталих изотопа Ц-14. Овај процес се наставља током времена, при чему организам губи половину преосталих изотопа Ц-14 сваке 5.730 година.
Фосили се сакупљају заједно са стенама које се јављају из истих слојева. Ови узорци се пажљиво каталогизирају и анализирају масеним спектрометром. Масени спектрометар је у стању да пружи информације о врсти и количини изотопа пронађених у стени. Научници проналазе однос родитељског изотопа према изотопу ћерке. Упоређивањем овог односа са логаритамском скалом полуживота матичног изотопа, они могу да пронађу старост дотичне стене или фосила.
Постоји неколико уобичајених радиоактивних изотопа који се користе за датирање стена, артефаката и фосила. Најчешћи је У-235. У-235 се налази у многим магматским стенама, земљишту и седименту. У-235 се распада до Пб-207 са полуживотом од 704 милиона година. Због свог дугог времена полураспада, У-235 је најбољи изотоп за радиоактивно датирање, посебно старијих фосила и стена.
Ц-14 је још један радиоактивни изотоп који се распада до Ц-12. Овај изотоп се налази у свим живим организмима. Једном када организам умре, Ц-14 почиње да пропада. Време полураспада Ц-14 је само 5.730 година. Због свог кратког времена полураспада, број изотопа Ц-14 у узорку је занемарљив након око 50 000 година, што онемогућава употребу за датирање старијих узорака. Ц-14 се често користи у датирању артефаката од људи.