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 éléments pères se désintègrent : ils sont dits radioactifs. Les éléments fils formés par désintégration des éléments pères sont dits radiogéniques.
Le temps de demi-vie (ou période radioactive \mathrm{T}_{1 / 2}) correspond à la durée écoulée lorsque la moitié de la quantité d'éléments pères est désintégrée. Le nombre d'atomes pères diminue selon une loi exponentielle :
P=P_{0} e^{-\lambda t} où P est le nombre d'atomes pères à l'instant t , P_{0} le nombre d'atomes pères à l'instant initial, et \lambda une constante positive.

L'élément uranium possède deux isotopes radioactifs : l'uranium 235 et l'uranium 238. Chaque 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, ²³⁵U donne ²⁰⁷Pb et ²³⁸U donne ²⁰⁶Pb. Les périodes radioactives \mathrm{T}_{1 / 2} sont respectivement de 0,704 Ga et 4,468 Ga. Ces périodes longues en font des systèmes particulièrement bien adaptés à la datation d'objets géologiques très anciens.

En partant des équations de désintégration radioactive (

doc. 1

) pour chacun de ces deux systèmes, on peut montrer que la valeur du rapport isotopique (²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb) 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 événement précis (comme la formation de la Terre), il faut comparer entre eux différents systèmes (roches). On va alors utiliser l'isotope 204 du plomb, stable, pour normaliser les quantités de ²⁰⁷Pb et ²⁰⁶Pb. 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.