Birçok kaya ve organizma, U-235 ve C-14 gibi radyoaktif izotoplar içerir. Bu radyoaktif izotoplar kararsızdır ve zaman içinde öngörülebilir bir oranda bozunur. İzotoplar bozunurken çekirdeklerinden parçacıklar verirler ve farklı bir izotop haline gelirler. Ana izotop, orijinal kararsız izotoptur ve kızı izotoplar, bozunmanın kararlı ürünüdür. Yarı ömür, ana izotopların yarısının bozunması için geçen süredir. Bozulma logaritmik bir ölçekte gerçekleşir. Örneğin, C-14'ün yarı ömrü 5.730 yıldır. İlk 5.730 yılda organizma C-14 izotoplarının yarısını kaybeder. 5,730 yıl sonra, organizma kalan C-14 izotoplarının diğer yarısını kaybedecek. Bu süreç, organizmanın her 5.730 yılda bir kalan C-14 izotoplarının yarısını kaybetmesiyle zamanla devam eder.
Fosiller, aynı katmanlardan oluşan kayalarla birlikte toplanır. Bu numuneler dikkatlice kataloglanır ve bir kütle spektrometresi ile analiz edilir. Kütle spektrometresi, kayada bulunan izotopların türü ve miktarı hakkında bilgi verebilmektedir. Bilim adamları, ana izotopun kız izotopuna oranını buluyor. Bu oranı ana izotopun yarı ömür logaritmik ölçeğiyle karşılaştırarak, söz konusu kaya veya fosilin yaşını bulabilirler.
Kayaları, eserleri ve fosilleri tarihlendirmek için kullanılan birkaç yaygın radyoaktif izotop vardır. En yaygın olanı U-235'tir. U-235, birçok magmatik kayaçta, toprakta ve tortuda bulunur. U-235, 704 milyon yıllık bir yarı ömre sahip Pb-207'ye bozunur. Uzun yarı ömrü nedeniyle U-235, özellikle eski fosiller ve kayalar olmak üzere radyoaktif tarihleme için en iyi izotoptur.
C-14, C-12'ye bozunan başka bir radyoaktif izotoptur. Bu izotop tüm canlı organizmalarda bulunur. Bir organizma öldüğünde, C-14 çürümeye başlar. Ancak C-14'ün yarı ömrü sadece 5.730 yıldır. Kısa yarı ömrü nedeniyle, bir numunedeki C-14 izotoplarının sayısı, yaklaşık 50.000 yıl sonra ihmal edilebilecek kadar azdır ve bu da daha eski numunelerin tarihlendirilmesinde kullanılmasını imkansız hale getirir. C-14, genellikle insanlardan elde edilen eserlerin tarihlendirilmesinde kullanılır.
