Många bergarter och organismer innehåller radioaktiva isotoper, såsom U-235 och C-14. Dessa radioaktiva isotoper är instabila och förfaller över tiden i en förutsägbar takt. När isotoperna förfaller, avger de partiklar från sin kärna och blir en annan isotop. Föräldraisotopen är den ursprungliga instabila isotopen, och dotterisotoper är den stabila förfallsprodukten. Halveringstiden är den tid det tar för hälften av föräldrarnas isotoper att förfalla. Förfallet sker i logaritmisk skala. Till exempel är halveringstiden för C-14 5730 år. Under de första 5730 åren kommer organismen att förlora hälften av sina C-14-isotoper. Om ytterligare 5 730 år kommer organismen att förlora ytterligare hälften av de återstående C-14-isotoperna. Denna process fortsätter över tiden med att organismen förlorar hälften av de återstående C-14-isotoperna var 5 730 år.
Fossiler samlas tillsammans med stenar som uppstår från samma lager. Dessa prover katalogiseras noggrant och analyseras med en masspektrometer. Masspektrometern kan ge information om typen och mängden isotoper som finns i berget. Forskare finner förhållandet mellan föräldraisotop och dotterisotop. Genom att jämföra detta förhållande till den logaritmiska skalan för halveringstiden för moderisotopen, kan de hitta åldern på berget eller fossilen i fråga.
Det finns flera vanliga radioaktiva isotoper som används för datering av stenar, artefakter och fossiler. Den vanligaste är U-235. U-235 finns i många vulkaniska bergarter, jord och sediment. U-235 förfaller till Pb-207 med en halveringstid på 704 miljoner år. På grund av sin långa halveringstid är U-235 den bästa isotopen för radioaktiv datering, särskilt av äldre fossiler och stenar.
C-14 är en annan radioaktiv isotop som sönderfaller till C-12. Denna isotop finns i alla levande organismer. När en organism dör börjar C-14 att förfalla. Halveringstiden för C-14 är dock bara 5730 år. På grund av dess korta halveringstid är antalet C-14-isotoper i ett prov försumbart efter cirka 50 000 år, vilket gör det omöjligt att använda för datering av äldre prover. C-14 används ofta vid datering av artefakter från människor.