V přírodě se vyskytuje jak 13C, tak 14C. První z nich tvoří asi 1 % veškerého uhlíku. Množství 14C se pohybuje od 0,0000000001 % (jedna část na bilion, malá, ale měřitelná hodnota) až po nulu. Největší množství 14C se nachází v atmosférickém oxidu uhličitém a v produktech vyrobených z atmosférického oxidu uhličitého (například v rostlinách). Na rozdíl od 12C a 13C není 14C stabilní. V důsledku toho neustále prochází přirozeným radioaktivním rozpadem, zatímco množství ostatních izotopů se nemění. Uhlík 14 je nejvíce zastoupen v atmosférickém oxidu uhličitém, protože neustále vzniká při srážkách atomů dusíku s kosmickým zářením na horní hranici atmosféry.
Rychlost rozpadu 14C je naprosto konstantní. Při jakémkoli souboru atomů 14C se polovina z nich rozpadne za 5700 let. Protože tato rychlost je pomalá v poměru k pohybu uhlíku potravními řetězci (od rostlin přes živočichy až po bakterie), obsahuje veškerý uhlík v biomase na zemském povrchu atmosférické množství 14C. Jakmile však jakýkoli uhlík vypadne z koloběhu biologických procesů – například pohřbením v bahně nebo půdě – začne množství 14C klesat. Po 5700 letech z něj zůstane jen polovina. Po dalších 5700 letech zůstane jen čtvrtina. Tento proces, který pokračuje, dokud nezůstane žádný 14C, je základem datování pomocí uhlíku.
Vzorek, ve kterém již není 14C detekovatelný, se označuje jako „radiouhlíkově mrtvý“. Běžným příkladem jsou fosilní paliva. Pocházejí z biomasy, která původně obsahovala atmosférické množství 14C. Přeměna sedimentárních organických zbytků v ropu nebo dřevin v uhlí je však tak pomalá, že i nejmladší ložiska jsou radiouhlíkově mrtvá.
Obsah 14C v organické molekule tak poskytuje informaci o zdroji jejího uhlíku. Pokud je 14C přítomen v atmosféře, musí molekula pocházet z nedávného rostlinného produktu. Cesta od rostliny k molekule mohla být nepřímá nebo zdlouhavá a zahrnovat více fyzikálních, chemických a biologických procesů. Hladiny 14C jsou významně ovlivněny pouze plynutím času. Pokud molekula neobsahuje žádný detekovatelný 14C, musí pocházet z petrochemické suroviny nebo z jiného starého zdroje. Střední hladiny 14C mohou představovat buď směsi moderního a mrtvého uhlíku, nebo uhlíku, který byl fixován z atmosféry před méně než 50 000 lety.
Signály tohoto druhu často využívají chemici studující přírodní prostředí. Uhlovodík nalezený v plážových sedimentech může například pocházet z ropné skvrny nebo z vosků produkovaných rostlinami. Pokud izotopové analýzy ukazují, že uhlovodík obsahuje 14C na úrovni atmosféry, pochází z rostliny. Pokud neobsahuje 14C, pochází z ropné skvrny. Pokud obsahuje určitý mezistupeň, pochází ze směsi obou zdrojů.
.