Alkuaineet erotetaan toisistaan protonien lukumäärän perusteella. Hiili on alkuaine, jonka ytimessä on 6 protonia, eli ydinvarausluku on 6. Protonien lisäksi ytimessä on neutroneja, joiden määrä vaihtelee, ja puhutaan eri isotoopeista. Tyypillisessä hiiliatomissa on 6 neutronia, jolloin protonien ja neutronien summa (ytimen massaluku) on 12 ja puhutaan isotoopista C-12. Joissakin hiiliatomeissa on 8 neutronia, jolloin massaluku on 14 ja puhutaan isotoopista C-14.
Ilmakehän yleisin alkuaine on typpi, jonka ydinvarausluku on 7 ja yleisin isotooppi on N-14 (siis 7 protonia ja 7 neutronia). Avaruudesta tuleva säteily aiheuttaa reaktion
N14 + n => C14 + p
(n = neutroni, p = protoni) eli typpiatomi muuttuu hiiliatomiksi. C-12 ja C-14 eroavat toisistaan myös siten, että C-12 (kuten myös erittäin harvinainen C-13) on stabiili, kun taas C-14 (kuten myös erittäin harvinaiset C-11 ja 15) on radioaktiivinen eli epästabiili. Tämä tarkoittaa, että C-14 hajoaa itsestään takaisin typeksi (C14 => 14N + b, jossa b on elektroni jonka energia noin 160 keV). Hajoamisnopeus oletetaan vakioksi ja puhutaan puoliintumisajasta. C-14:n puoliintumisaika on 5730 vuotta, joka tarkoittaa, että kun ajanhetkella t0 on tietty määrä C-14:ää, niin 5730 vuoden kuluttua sitä on jäljellä puolet, 11 460 vuoden kuluttua neljäsosa, 17 190 vuoden kuluttua kahdeksasosa, 22 920 vuoden kuluttua kuudestoistaosa, jne.
Ilmakehästä sekä tavallinen hiili (C-12) että radioaktiivinen hiili (C-14) hapettuvat hiilidioksidiksi ja kulkeutuvat ravintoketjuun. Kun oletetaan, että C-14:ää muodostuu ilmakehässä tasaista vauhtia, eliöiden C-12 ja C-14 ovat tasapainossa eliön eläessä, jne, päädytään oletukseen, että vasta eliön kuollessa tasapainotila alkaa muuttua C-14:n vähentyessä sen hajotessa ilman että uutta tulee tilalle. Näinollen teoriassa eliön kuolinhetki voidaan määrittää mittaamalla sen jäännösten (esim. fossiilin) C-14 pitoisuus.
Professori Willard F. Libby (yksi atomipommin kehittäjistä, sai kemian Nobelin 1960) kehitti työryhmänsä kanssa perinteisen C-14 menetelmän 1940-luvulla. Kyseisessä menetelmässä mitataan betasäteilyä. 1970-luvulla kehitettiin AMS eli massaspektrometrimenetelmä (Accelerator Mass Spectrometry) jonka etuna on mm. se, että ajoitus voidaan tehdä entistä pienemmästä näytteestä. AMS:ssä mitataan atomien määrää.
C-14:n lyhyestä puoliintumisajasta johtuen evolutionisit käyttävät sitä vain kohteisiin, joiden ikä on alle 60 000 vuotta. Arkealogiassa yli 30 000 vuoden ajoituksia pidetään ongelmallisina kontaminaation vuoksi. Kontaminaatio eli saastuminen tarkoittaa, että näytteeseen joutuu tuoretta C-14:ää jostain elävästä eliöstä (esim. ihmisen ihosta irtoaa koko ajan kuolleita soluja) tai äskettäin kuolleesta eliöstä tai näytteen C-isotooppien määrä muuttuu ympäristön vaikutuksesta. Yläraja on siis maksimissaan noin 60 000 vuotta ja käytännössä 30 - 50 tuhatta vuotta. Alarajaa sen sijaan ei teoriassa ole, vaan esim. viikko sitten kuollut eliö voidaan ajoittaa. Käytännössä tässä on kuitenkin lukuisia ongelmia.