Both 13C e 14C estão presentes na natureza. O primeiro é responsável por cerca de 1% de todo o carbono. A abundância de 14C varia de 0,0000000001% (uma parte por trilhão, um nível pequeno, mas mensurável) até zero. As maiores abundâncias de 14C são encontradas no dióxido de carbono atmosférico e em produtos feitos de dióxido de carbono atmosférico (por exemplo, plantas). Ao contrário de 12C e 13C, 14C não é estável. Como resultado, ele está sempre em decadência radioativa natural, enquanto as abundâncias dos outros isótopos permanecem inalteradas. O carbono 14 é mais abundante no dióxido de carbono atmosférico porque está constantemente sendo produzido por colisões entre átomos de nitrogênio e raios cósmicos nos limites superiores da atmosfera.
A taxa na qual o 14C decai é absolutamente constante. Dado qualquer conjunto de átomos de 14C, metade deles irá decair em 5700 anos. Como esta taxa é lenta em relação ao movimento do carbono através das cadeias alimentares (das plantas aos animais e às bactérias) todo o carbono em biomassa na superfície da Terra contém níveis atmosféricos de 14C. No entanto, assim que qualquer carbono sai do ciclo de processos biológicos – por exemplo, através de enterramento na lama ou no solo – a abundância de 14C começa a diminuir. Após 5700 anos, resta apenas metade. Depois de mais 5700 anos, resta apenas um quarto. Este processo, que continua até não restar 14C, é a base da datação por carbono.
Uma amostra na qual 14C não é mais detectável é dita como “radiocarbono morto”. Os combustíveis fósseis fornecem um exemplo comum. Eles são derivados de biomassa que inicialmente continham níveis atmosféricos de 14C. Mas a transformação de resíduos orgânicos sedimentares em óleo ou plantas lenhosas em carvão é tão lenta que mesmo os depósitos mais jovens são radiocarbonetos mortos.
A abundância de 14C em uma molécula orgânica fornece assim informações sobre a fonte do seu carbono. Se 14C está presente a níveis atmosféricos, a molécula deve derivar de um produto vegetal recente. O caminho da planta até a molécula pode ter sido indireto ou longo, envolvendo múltiplos processos físicos, químicos e biológicos. Os níveis de 14C são afetados significativamente apenas pela passagem do tempo. Se uma molécula não contém 14C detectável, ela deve derivar de uma matéria-prima petroquímica ou de alguma outra fonte antiga. Níveis intermediários de 14C podem representar misturas de carbono moderno e morto ou carbono que foi fixado a partir da atmosfera há menos de 50.000 anos.
Sinais deste tipo são frequentemente utilizados por químicos que estudam ambientes naturais. Um hidrocarboneto encontrado em sedimentos de praia, por exemplo, pode derivar de um derramamento de óleo ou de ceras produzidas por plantas. Se as análises isotópicas mostram que o hidrocarboneto contém 14C a nível atmosférico, é de uma planta. Se não contiver 14C, é de um derrame de óleo. Se contém algum nível intermediário, é de uma mistura de ambas as fontes.