Tavallisessa hiiliatomissa on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Sitä kutsutaan hiilen isotoopiksi 12. Hiilellä on myös raskaampi radioaktiivinen isotooppi 14, joka sisältää kahdeksan neutronia.

Näitä niin sanottuja radiohiiliatomeja syntyy, kun kosmisen säteilyn neutronit törmäävät typpiatomeihin ilmakehässä. Kasvit vastaanottavat ilmakehästä molempia hiilen isotooppeja, ja siten radioaktiivinen hiilen isotooppi 14 päätyy ravintoketjuun. Kun eliö kuolee, sen radiohiilipitoisuus ei enää kasva. Koska hiili 14 on epävakaa, se muuttuu vähitellen typeksi radioaktiivisuuden vähetessä.

Kun puoliintumisajan tiedetään olevan 5730 vuotta, orgaanista hiiltä sisältävän näytteen ikä voidaan laskea siinä jäljellä olevan radiohiilen määrästä. Kun menetelmää alettiin käyttää 1950-luvulla, ajoitukseen tarvittiin paljon hiiltä.

Nykyään riittää milligramma – esimerkiksi hitunen kankaan nukkaa. Koska alkuperäistä radiohiiltä täytyy olla edes vähän jäljellä, menetelmä soveltuu vain löytöihin, jotka ovat korkeintaan noin 50000 vuoden ikäisiä.

Alle 5000 vuotta vanha näyte voidaan ajoittaa muutaman vuosikymmenen tarkkuudella. Sitä vanhemmissa näytteissä virhemarginaali on enimmillään 30 prosenttia.

​