En 1906, Ernest Rutherford met au point une méthode de datation par mesure de la désintégration radioactive du radium.

Différentes méthodes sur d'autres éléments radioactifs sont par la suite mises au point et vont permettre de déterminer l'âge des roches à la surface de la Terre. Clair Patterson, en 1950, développe la datation sur l'uranium-plomb.

Au cours du temps, les noyaux pères se désintègrent : ils sont dits radioactifs. Les noyaux fils formés par désintégration des noyaux pères sont dits radiogéniques.

Le nombre de noyaux pères diminue selon une loi exponentielle. La demi-vie t_{1 / 2} correspond à la durée écoulée lorsque la moitié des noyaux pères est désintégrée.

L'élément uranium possède deux isotopes radioactifs : l'uranium 235 et l'uranium 238. Chaque noyau isotope se désintègre par étapes successives et est à l'origine de familles radioactives dont le dernier isotope stable est un isotope du plomb. Ainsi, { }^{235} \mathrm{U} donne { }^{207} \mathrm{Pb} et { }^{238} \mathrm{U} donne { }^{206} \mathrm{Pb}. Les demi-vies t_{1 / 2} sont respectivement de 0,704 Ga et 4,468 Ga. Ces durées longues en font des systèmes particulièrement bien adaptés à la datation d'objets géologiques très anciens.
En partant des équations de désintégration radioactive pour chacun de ces deux systèmes, on peut montrer que la valeur du rapport isotopique \left({ }^{207} \mathrm{Pb} /{ }^{206} \mathrm{Pb}\right) radiogénique donne une estimation directe du temps écoulé depuis la fermeture du système (moment où la roche datée n'échange plus de matière avec l'extérieur).
Pour dater un évènement précis (comme la formation de la Terre), il faut comparer entre eux différents systèmes (roches). On utilise alors l'isotope 204 du plomb, stable, pour normaliser les quantités de { }^{207} \mathrm{Pb} et { }^{206} \mathrm{Pb}. Puisqu'il s'agit d'un isotope non radiogénique, sa quantité n'a pas varié depuis la fermeture du système : il peut donc servir de référence.

L'isochrone (d'iso : identique et chronos : temps) est une droite reliant les rapports isotopiques de roches d'âge identique. Le coefficient directeur de cette droite donne, après calcul, l'âge de l'ensemble des échantillons (ici, une météorite ferreuse et quatre météorites pierreuses). Patterson estime grâce à cette méthode un âge de formation de la Terre égal à 4,55 Ga.

Le zircon est peu altérable et souvent riche en uranium, ce qui en fait un bon candidat pour la datation des plus anciens minéraux terrestres. Au cœur du cristal se trouvent les entités chimiques les plus anciennes à avoir cristallisé.