Zowel 13C als 14C zijn in de natuur aanwezig. Het eerste maakt ongeveer 1% van alle koolstof uit. De abundantie van 14C varieert van 0,0000000001% (een deel per triljoen, een klein, maar meetbaar niveau) tot nul. De hoogste abundanties van 14C worden gevonden in atmosferisch kooldioxide en in producten die van atmosferisch kooldioxide zijn gemaakt (bijvoorbeeld planten). In tegenstelling tot 12C en 13C is 14C niet stabiel. Daarom ondergaat het altijd natuurlijk radioactief verval, terwijl de abundanties van de andere isotopen onveranderd blijven. Koolstof-14 is het talrijkst in atmosferisch koolstofdioxide omdat het voortdurend wordt geproduceerd door botsingen tussen stikstofatomen en kosmische stralen aan de bovengrenzen van de atmosfeer.
De snelheid waarmee 14C vervalt is absoluut constant. Gegeven een willekeurige verzameling 14C atomen, zal de helft daarvan in 5700 jaar vervallen. Aangezien deze snelheid traag is in verhouding tot de beweging van koolstof door de voedselketens (van planten naar dieren naar bacteriën) bevat alle koolstof in biomassa aan het aardoppervlak atmosferische niveaus van 14C. Zodra echter koolstof uit de cyclus van biologische processen valt – bijvoorbeeld door begraving in modder of grond – begint de hoeveelheid 14C af te nemen. Na 5700 jaar is nog maar de helft over. Na nog eens 5700 jaar blijft er nog maar een kwart over. Dit proces, dat doorgaat tot er geen 14C meer over is, is de basis van koolstofdatering.
Een monster waarin geen 14C meer aantoonbaar is, wordt “radiokoolstofdood” genoemd. Fossiele brandstoffen zijn een veel voorkomend voorbeeld. Zij zijn afkomstig van biomassa die aanvankelijk atmosferische niveaus van 14C bevatte. Maar de omzetting van sedimentair organisch puin in olie of houtachtige planten in steenkool gaat zo langzaam dat zelfs de jongste afzettingen radiokoolstofneutraal zijn.
De abundantie van 14C in een organisch molecuul geeft dus informatie over de bron van zijn koolstof. Als 14C aanwezig is op atmosferische niveaus, moet het molecuul afkomstig zijn van een recent plantaardig product. De weg van de plant naar het molecuul kan indirect of lang zijn geweest, waarbij meerdere fysische, chemische en biologische processen betrokken waren. Het gehalte aan 14C wordt alleen door het verstrijken van de tijd aanzienlijk beïnvloed. Als een molecule geen detecteerbare 14C bevat, moet zij afkomstig zijn van een petrochemische grondstof of van een andere oude bron. Tussenliggende niveaus van 14C kunnen ofwel mengsels van moderne en dode koolstof vertegenwoordigen, ofwel koolstof die minder dan 50.000 jaar geleden uit de atmosfeer werd gehaald.
Signalen van dit type worden vaak gebruikt door chemici die natuurlijke milieus bestuderen. Een koolwaterstof die in strandsedimenten wordt aangetroffen, kan bijvoorbeeld afkomstig zijn van een olielekkage of van door planten geproduceerde was. Als uit isotopenanalyses blijkt dat de koolwaterstof 14C bevat op atmosferische niveaus, is hij afkomstig van een plant. Bevat hij geen 14C, dan is hij afkomstig van een olievervuiling. Als het een tussenliggend gehalte bevat, is het afkomstig van een mengsel van beide bronnen.