Både 13C og 14C er til stede i naturen. Førstnævnte udgør ca. 1 % af alt kulstof. Hyppigheden af 14C varierer fra 0,000000000001% (en del pr. trillion, et lille, men målbart niveau) ned til nul. De højeste forekomster af 14C findes i atmosfærisk kuldioxid og i produkter fremstillet af atmosfærisk kuldioxid (f.eks. planter). I modsætning til 12C og 13C er 14C ikke stabilt. Derfor undergår den altid et naturligt radioaktivt henfald, mens de andre isotopers hyppighed er uændret. Kulstof-14 er mest hyppigt forekommende i atmosfærisk kuldioxid, fordi det konstant dannes ved kollisioner mellem nitrogenatomer og kosmisk stråling ved atmosfærens øvre grænser.
Den hastighed, hvormed 14C henfalder, er absolut konstant. Givet et hvilket som helst sæt 14C-atomer vil halvdelen af dem henfalde i løbet af 5.700 år. Da denne hastighed er langsom i forhold til bevægelsen af kulstof gennem fødekæderne (fra planter til dyr til bakterier), indeholder alt kulstof i biomasse ved jordens overflade atmosfæriske niveauer af 14C. Men så snart noget kulstof falder ud af de biologiske processers cyklus – f.eks. ved at blive begravet i mudder eller jord – begynder mængden af 14C at falde. Efter 5700 år er der kun halvdelen tilbage. Efter yderligere 5700 år er der kun en fjerdedel tilbage. Denne proces, som fortsætter, indtil der ikke længere er 14C tilbage, er grundlaget for kulstofdatering.
En prøve, hvor 14C ikke længere kan påvises, siges at være “radiokulstofdød”. Fossile brændstoffer udgør et almindeligt eksempel. De stammer fra biomasse, som oprindeligt indeholdt atmosfæriske niveauer af 14C. Men omdannelsen af sedimentært organisk affald til olie eller træagtige planter til kul er så langsom, at selv de yngste aflejringer er radiokarbondøde.
Hyppigheden af 14C i et organisk molekyle giver således oplysninger om kilden til dets kulstof. Hvis 14C er til stede i atmosfæriske niveauer, må molekylet stamme fra et nyere planteprodukt. Vejen fra planten til molekylet kan have været indirekte eller langvarig, og den kan have involveret flere fysiske, kemiske og biologiske processer. Niveauerne af 14C påvirkes kun væsentligt af tidens gang. Hvis et molekyle ikke indeholder 14C, der kan påvises, må det stamme fra et petrokemisk råmateriale eller fra en anden gammel kilde. Mellemliggende niveauer af 14C kan enten repræsentere blandinger af moderne og dødt kulstof eller kulstof, der blev bundet fra atmosfæren for mindre end 50.000 år siden.
Signaler af denne art bruges ofte af kemikere, der studerer naturlige miljøer. Et kulbrinte, der findes i strandsedimenter, kan f.eks. stamme fra et olieudslip eller fra voks produceret af planter. Hvis isotopanalyser viser, at kulbrinten indeholder 14C på atmosfærisk niveau, stammer den fra en plante. Hvis det ikke indeholder 14C, er det fra et olieudslip. Hvis det indeholder et mellemliggende niveau, er det fra en blanding af begge kilder.