Både 13C och 14C finns i naturen. Den förstnämnda utgör ungefär 1 % av allt kol. Förekomsten av 14C varierar från 0,0000000001% (en del per biljon, en liten men mätbar nivå) ner till noll. De högsta halterna av 14C finns i atmosfärisk koldioxid och i produkter som tillverkats av atmosfärisk koldioxid (t.ex. växter). Till skillnad från 12C och 13C är 14C inte stabil. Därför genomgår den alltid ett naturligt radioaktivt sönderfall medan förekomsten av de andra isotoperna är oförändrad. Kol-14 är vanligast i atmosfärisk koldioxid eftersom det ständigt produceras genom kollisioner mellan kväveatomer och kosmisk strålning vid atmosfärens övre gränser.
Hastigheten med vilken 14C sönderfaller är absolut konstant. Givet en uppsättning 14C-atomer kommer hälften av dem att sönderfalla på 5 700 år. Eftersom denna hastighet är långsam i förhållande till kolets rörelse genom näringskedjorna (från växter till djur till bakterier) innehåller allt kol i biomassa vid jordytan atmosfäriska nivåer av 14C. Men så snart som något kol faller ur de biologiska processernas kretslopp – t.ex. genom nedgrävning i lera eller jord – börjar mängden 14C att minska. Efter 5700 år återstår bara hälften. Efter ytterligare 5 700 år återstår bara en fjärdedel. Denna process, som fortsätter tills inget 14C finns kvar, är grunden för koldatering.
Ett prov där 14C inte längre kan påvisas sägs vara ”radiokoldött”. Fossila bränslen utgör ett vanligt exempel. De härrör från biomassa som ursprungligen innehöll atmosfäriska nivåer av 14C. Men omvandlingen av sedimentärt organiskt skräp till olja eller vedartade växter till kol går så långsamt att även de yngsta avlagringarna är radiokoldöda.
Förekomsten av 14C i en organisk molekyl ger alltså information om källan till dess kol. Om 14C förekommer i atmosfäriska nivåer måste molekylen härröra från en nyare växtprodukt. Vägen från växten till molekylen kan ha varit indirekt eller lång och inneburit flera fysiska, kemiska och biologiska processer. Nivåerna av 14C påverkas i betydande grad endast av tidens gång. Om en molekyl inte innehåller någon påvisbar 14C måste den härstamma från en petrokemisk råvara eller från någon annan gammal källa. Intermediära nivåer av 14C kan representera antingen blandningar av modernt och dött kol eller kol som fixerades från atmosfären för mindre än 50 000 år sedan.
Signaler av detta slag används ofta av kemister som studerar naturliga miljöer. Ett kolväte som finns i strandsediment kan till exempel härröra från ett oljeutsläpp eller från vaxer som produceras av växter. Om isotopanalyser visar att kolvävet innehåller 14C på atmosfäriska nivåer kommer det från en växt. Om det inte innehåller 14C kommer det från ett oljeutsläpp. Om det innehåller någon mellannivå är det från en blandning av båda källorna.