Cơ sở phương pháp dựa trên các quá trình phóng xạ xảy ra trong tự nhiên.

1. Do tác động của tia vũ trụ các neutron tương tác với hạt nhân nguyên tử Nitơ 14
   N trong khí quyển theo dạng phản ứng (n-p) tạo ra đồng vị 14
   C. Đây là đồng vị phóng xạ, có chu kỳ bán rã là 5.730 năm. Sau thời gian dài các phản ứng tạo ra và phân rã 14
   C cân bằng nhau, cho ra tỷ lệ đồng vị 14
   C trong CO2 trong không khí là xác định.
2. Qua quá trình quang hợp của thực vật tiếp nhận carbon từ CO2 trong không khí tạo ra chất hữu cơ, và từ đó làm thức ăn cho các sinh vật khác. Nó dẫn đến tỷ lệ đồng vị carbon trong các mô hữu cơ của một cơ thể đang sống giống như trong CO2 của khí quyển.
3. Khi sinh vật chết thì sự trao đổi carbon ngừng lại. Phản ứng phân rã 14
   C làm tỷ lệ đồng vị 14
   C trong tổng lượng carbon của mẫu vật giảm dần theo thời gian, với chu kỳ bán rã đã nêu.

Xác định được tỷ số đồng vị 14
C trong tổng lượng carbon, với một số hiệu chỉnh, sẽ xác định được tuổi tuyệt đối của mẫu vật, tức là thời gian từ lúc sinh vật chết đến ngày nay, tính theo độ dài ngày hiện nay [3].

Trước đây việc xác định hàm lượng carbon phóng xạ (14
C) thực hiện bằng thiết bị đếm số lượng bức xạ hạt beta phát ra từ mẫu đo. Cách đo này thiếu ổn định, độ chính xác thấp và không dùng được cho mẫu đo có khối lượng nhỏ. Từ những năm 1970 phương pháp phổ khối gia tốc đã thay thế để xác định hàm lượng các đồng vị, cho ngay ra tỷ lệ các đồng vị trong dải khối lượng và điện tích đồng vị cần đo. Nó không cần "đợi" các hạt nhân (14
C) phân rã. Nhờ vậy có thể sử dụng phương pháp này cho những mẫu có lượng nhỏ (như là hạt giống), và kết quả thu được nhanh và chính xác cao hơn, kéo dài khoảng thời gian định tuổi khả dĩ đến cỡ 10 lần thời gian bán rã, tức là đến cỡ 50.000 năm trước.

Sự phát triển của niên đại phóng xạ đã thu hút rất nhiều nhà khảo cổ học. Ngoài việc xác định tuổi chính xác của các địa điểm khảo cổ phương pháp trên cũng giúp chúng ta xác định thời gian của sự kiện trong một thời khoảng thời gian rất lâu. Lịch sử khảo cổ học thường gắn liền với "cuộc cách mạng phóng xạ carbon". Tuổi phóng xạ carbon cho phép xác định các quá trình chuyển đổi quan trọng trong lịch sử như là thời gian kết thúc của cuối Kỷ băng hà, thời điểm bắt đầu của thời đại đồ đá mới và thời đại đồ đồng ở những khu vực khác nhau