1: Sự hình thành của cacbon-14
2: Phân rã của cacbon-14
3: Phương trình "cân bằng" cho các cơ thể còn sống, và mất cân bằng cho các sinh vật đã chết, trong đó C-14 phân ra (xem 2).

Cacbon-14 sinh ra ở tầng đối lưu và tầng bình lưu do các nguyên tử nitơ hấp thụ các neutron nhiệt. Khi tia vũ trụ đi vào khí quyển, chúng va chạm với nhiều nguyên tử và xảy ra nhiều phản ứng hạt nhân với một trong các sản phẩm có neutron nhiệt. Những neutron (1n) tham gia vào các phản ứng chủ yếu sau:

1n + 14N → 14C + 1p

Tốc độ sản sinh cacbon-14 diễn ra mạnh nhất ở độ cao 9 tới 15 km và ở nơi có vĩ độ từ lớn, sau đó cacbon-14 ngay lập tức hòa lẫn và phân tán trong toàn khí quyển nó phản ứng với ôxy để tạo ra cacbon điôxít phóng xạ. Cacbon điôxít hòa tan vào nước và thấm vào đại dương.

Cacbon-14 sau đó trải qua quá trình phân rã beta,

  6 14 C →   7 14 N + e − + ν ¯ e {\displaystyle \mathrm {~_{6}^{14}C} \rightarrow \mathrm {~_{7}^{14}N} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}

Theo tương tác yếu, bằng phát ra một electron và một phản neutrino electron, một neutron trong hạt nhân cacbon-14 phân rã thành một proton và cacbon-14 (chu kỳ bán rã 5730 năm) biến thành đồng vị ổn định (không phóng xạ) nitơ-14.

Cacbon-14 ở trong sinh quyển Trái Đất vào khoảng 300 megacurie (11 EBq), và phần lớn chúng nằm trong đại dương.[5]

Cho đến 2008, người ta vẫn chưa biết tốc độ sản sinh cacbon-14 là bao nhiêu – trong khi phản ứng sản sinh có thể nghiên cứu bằng lý thuyết và mô hình hóa hoặc dựa trên chu trình cacbon để theo dõi, những cố gắng đo lượng sản sinh ra không phù hợp với giá trị tiên đoán của những mô hình này. Tốc độ sản sinh thay đổi bởi vì sự biến đổi của lưồng tia vũ trụ, như bắt nguồn từ siêu tân tinh, và do sự biến thiên của từ trường Trái Đất. Yếu tố từ trường có thể ảnh hưởng lớn đến tốc độ sản xuất cacbon-14, mặc dầu sự thay đổi trong chu trình cacbon cũng gây ảnh hưởng khó khăn tới kết quả dự đoán.[6]