放射性同位素能自发地发射出粒子或射线，转变为另一种核素，这一过程称为放射性同位素衰变。衰变前的放射性同位素称为母体，衰变过程中产生的新同位素为放射成因同位素，称为子体。单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比，即放射性衰变定律。放射性原子衰变至原来数量的一半（统计学意义上）所需的时间是这个放射性原子的半衰期，同一放射性原子半衰期相同。因此，科学家们可以利用岩石、化石（或产出地层的岩石）、宝石等研究对象中放射性同位素母体、子体的数量来测定它们的年龄。
常见的用于定年的放射性同位素体系有铀(U)-钍(Th)-铅(Pb)，铷(Rb)-锶(Sr)，钐(Sm)-钕(Nb)、钾(K)-氩(Ar)、铼(Re)-锇(Os)、镥(Lu)-铪(Hf)、放射性碳(14C)等等。利用这些放射性同位素定年的一个重要前提是能够精准测量相关同位素含量或同位素比值，例如：