Tanto el 13C como el 14C están presentes en la naturaleza. El primero representa aproximadamente el 1% de todo el carbono. La abundancia de 14C varía desde el 0,0000000001% (una parte por trillón, un nivel pequeño pero medible) hasta cero. Las mayores abundancias de 14C se encuentran en el dióxido de carbono atmosférico y en los productos elaborados a partir del dióxido de carbono atmosférico (por ejemplo, las plantas). A diferencia del 12C y el 13C, el 14C no es estable. Por ello, siempre sufre una desintegración radiactiva natural, mientras que la abundancia de los demás isótopos no cambia. El carbono 14 es más abundante en el dióxido de carbono atmosférico porque se produce constantemente por las colisiones entre los átomos de nitrógeno y los rayos cósmicos en los límites superiores de la atmósfera.
La velocidad a la que decae el 14C es absolutamente constante. Dado cualquier conjunto de átomos de 14C, la mitad de ellos se desintegrará en 5.700 años. Dado que este ritmo es lento en relación con el movimiento del carbono a través de las cadenas alimentarias (de las plantas a los animales y a las bacterias), todo el carbono de la biomasa en la superficie de la Tierra contiene niveles atmosféricos de 14C. Sin embargo, en cuanto cualquier carbono sale del ciclo de los procesos biológicos -por ejemplo, al ser enterrado en el lodo o en el suelo- la abundancia de 14C comienza a disminuir. Después de 5700 años sólo queda la mitad. Después de otros 5.700 años sólo queda una cuarta parte. Este proceso, que continúa hasta que no queda 14C, es la base de la datación por carbono.
Una muestra en la que el 14C ya no es detectable se dice que está «muerta por radiocarbono». Los combustibles fósiles son un ejemplo común. Se derivan de la biomasa que inicialmente contenía niveles atmosféricos de 14C. Pero la transformación de los restos orgánicos sedimentarios en petróleo o de las plantas leñosas en carbón es tan lenta que incluso los depósitos más jóvenes están muertos por radiocarbono.
La abundancia de 14C en una molécula orgánica proporciona, por tanto, información sobre la fuente de su carbono. Si el 14C está presente en los niveles atmosféricos, la molécula debe proceder de un producto vegetal reciente. El camino desde la planta hasta la molécula puede haber sido indirecto o largo, implicando múltiples procesos físicos, químicos y biológicos. Los niveles de 14C sólo se ven afectados significativamente por el paso del tiempo. Si una molécula no contiene 14C detectable, debe proceder de una materia prima petroquímica o de alguna otra fuente antigua. Los niveles intermedios de 14C pueden representar mezclas de carbono moderno y muerto o carbono que se fijó de la atmósfera hace menos de 50.000 años.
Las señales de este tipo son utilizadas a menudo por los químicos que estudian los entornos naturales. Un hidrocarburo encontrado en los sedimentos de la playa, por ejemplo, podría proceder de un vertido de petróleo o de ceras producidas por plantas. Si los análisis isotópicos muestran que el hidrocarburo contiene 14C a niveles atmosféricos, es de una planta. Si no contiene 14C, procede de un vertido de petróleo. Si contiene algún nivel intermedio, es de una mezcla de ambas fuentes.