La datazione ci da l'età di un oggetto in secoli, millenni e milioni di anni fa. Per «orologi geologici» intendiamo fenomeni fisici che noi sfruttiamo per misurare il tempo geologico.
Essi si basano sul fatto che elementi radioattivi naturali, a causa della irradiazione, perdono massa e peso atomico; infine diminuisce pure il numero delle loro particelle cariche
(protoni ed elettroni), dando origine a nuovi elementi con altre proprietà fisiche e chimiche.
La progressiva disintegrazione avviene secondo una legge di natura con velocità costante;
nulla e nessuno può accelerarla, frenarla o arrestarla. Il processo di decadimento radioattivo (divenuto la maledizione del nostro tempo per lo smaltimento delle scorie atomiche) ci offre le migliori possibilità per datare ed articolare il passato.
Gli orologi geologici sono analoghi a quelli normali:

- Per l'ingranaggio occorre una carica, fornita dalla molla o dalla batteria per l'orologio da polso, e dal nucleo atomico per l'orologio geologico;

- affinché cominci a funzionare, l'orologio dev'essere regolato; gli orologi geologici vengono messi in funzione da fenomeni geologici [p. es. eruzioni vulcaniche), chimici (processi di soluzione) o biologici (ingestione di cibo); da quel momento continuano a ticchettare finché l'energia si esaurisce;

- l'orologio dev'essere leggibile; sui nostri è facilissimo vedere che ora è; per gli orologi geologici ci vogliono invece procedure lunghe e costose.

L'età del campione da datare viene calcolata in base al rapporto fra la sostanza radioattiva originaria e gli elementi formatisi in serie a causa del suo decadimento. L'attendibilità della datazione dipende dalla concentrazione totale degli elementi radioattivi, dalla precisione della misurazione stessa e da eventuali contaminazioni del campione (sostanza esaminata).
L'autonomia dell'orologio geologico dipende dalla velocità di trasformazione.
Quanto più celermente procede la disintegrazione radioattiva, tanto più rapidamente sparisce
la sostanza di partenza, finché una misura del rapporto con i suoi derivati diventa impossibile.
La costante di decadimento viene data dal «tempo di dimezzamento» (periodo in cui la metà dell'isotopo di partenza si trasforma in altri elementi); quanto più breve è il tempo di dimezzamento, tanto più limitata è la possibilità di impiego. Una regola approssimativa dice che l'autonomia corrisponde circa al decuplo del tempo di dimezzamento.