In der Natur kommen sowohl 13C als auch 14C vor. Ersteres macht etwa 1 % des gesamten Kohlenstoffs aus. Die Häufigkeit von 14C variiert von 0,0000000001% (ein Teil pro Billion, ein kleiner, aber messbarer Wert) bis hin zu Null. Die höchsten 14C-Häufigkeiten finden sich im atmosphärischen Kohlendioxid und in Produkten, die aus atmosphärischem Kohlendioxid hergestellt werden (z. B. Pflanzen). Im Gegensatz zu 12C und 13C ist 14C nicht stabil. Daher unterliegt es ständig einem natürlichen radioaktiven Zerfall, während die Häufigkeit der anderen Isotope unverändert bleibt. Kohlenstoff-14 ist am häufigsten in atmosphärischem Kohlendioxid enthalten, da es ständig durch Zusammenstöße zwischen Stickstoffatomen und kosmischer Strahlung an den oberen Grenzen der Atmosphäre erzeugt wird.
Die Zerfallsrate von 14C ist absolut konstant. Bei einer beliebigen Menge von 14C-Atomen wird die Hälfte von ihnen in 5700 Jahren zerfallen. Da diese Geschwindigkeit im Verhältnis zur Bewegung des Kohlenstoffs durch die Nahrungsketten (von Pflanzen über Tiere bis hin zu Bakterien) langsam ist, enthält der gesamte Kohlenstoff in der Biomasse an der Erdoberfläche atmosphärische Mengen an 14C. Sobald jedoch Kohlenstoff aus dem Kreislauf der biologischen Prozesse ausscheidet – zum Beispiel durch Vergraben im Schlamm oder im Boden -, beginnt die Menge an 14C zu sinken. Nach 5700 Jahren ist nur noch die Hälfte vorhanden. Nach weiteren 5700 Jahren ist nur noch ein Viertel übrig. Dieser Prozess, der sich fortsetzt, bis kein 14C mehr vorhanden ist, ist die Grundlage der Kohlenstoffdatierung.
Eine Probe, in der kein 14C mehr nachweisbar ist, wird als „radiokarbontot“ bezeichnet. Fossile Brennstoffe sind ein gängiges Beispiel. Sie werden aus Biomasse gewonnen, die ursprünglich atmosphärische Mengen an 14C enthielt. Die Umwandlung von organischen Sedimentablagerungen in Öl oder von holzigen Pflanzen in Kohle ist jedoch so langsam, dass selbst die jüngsten Ablagerungen radiokarbontot sind.
Die Häufigkeit von 14C in einem organischen Molekül gibt also Aufschluss über die Quelle des Kohlenstoffs. Wenn 14C in atmosphärischen Mengen vorhanden ist, muss das Molekül aus einem rezenten Pflanzenprodukt stammen. Der Weg von der Pflanze zum Molekül kann indirekt oder langwierig gewesen sein und mehrere physikalische, chemische und biologische Prozesse umfassen. Der 14C-Gehalt wird nur durch den Zeitablauf erheblich beeinflusst. Enthält ein Molekül kein nachweisbares 14C, muss es aus einem petrochemischen Ausgangsstoff oder einer anderen alten Quelle stammen. Zwischenwerte von 14C können entweder Mischungen aus modernem und totem Kohlenstoff darstellen oder Kohlenstoff, der vor weniger als 50.000 Jahren aus der Atmosphäre gebunden wurde.
Signale dieser Art werden häufig von Chemikern verwendet, die natürliche Umgebungen untersuchen. Ein Kohlenwasserstoff, der in Strandsedimenten gefunden wird, könnte zum Beispiel von einer Ölpest oder von Wachsen stammen, die von Pflanzen produziert werden. Wenn Isotopenanalysen zeigen, dass der Kohlenwasserstoff 14C auf atmosphärischem Niveau enthält, stammt er von einer Pflanze. Enthält er kein 14C, stammt er von einer Ölpest. Enthält er einen Zwischenwert, stammt er aus einer Mischung aus beiden Quellen.