放射性元素最基本的特征是不斷發生同位素衰變，而衰變的結果是放射性同位素母體的數目不斷減少，但其子體的原子數目將不斷增加。由于放射性同位素的衰變不受外界溫度、壓力或化學條件控制，其衰變速率的大小完全是每種放射性元素的固有特性，發生衰變的原子數目僅與時間有關如果起始時刻放射性元素母體的數目為N，經過一段時間dt后，已經發生衰變的放射性元素數目dN與剩余尚未衰變的母體數目N和dt的乘積呈正比，即
寫成等式：
對上式進行積分可得 
式中：λ 為每個放射性元素原子在單位時間內的衰變幾率，又叫衰變常數：N0為開始時（t=0）放射性元素原子個數：N為經過時間t后剩余的原子個數。
該式說明放射性同位素總原子數隨著時間的減少服從于指數定律。這是放射性衰變基本定律，也是放射性同位素測年的基本公式。不同放射性元素的衰變速率相差很大，衰變常數越大，元素衰變得越快，并且衰變速度在整個衰變時間內并不是保持不變的，而是隨著時間的增長而降低，但每個放射性元素的衰變常數是一定的。
當放射性元素原子數衰變減少到原來的一半（N=1/2N0）時所經歷的時間（T）稱為半衰期。
每個放射性元素都有固定的半衰期，如238U的半衰期為4.468×109 a，232Th的半衰期為1.41×1010a（141億年），稱為長壽命元素。一般認為放射性元素經歷10個半衰期后就已經完全衰變。
放射性同位素不斷地衰變，它在單位時間內發生衰變的原子數目稱為放射性強度，也可理解為放射性活度。放射性強度的常用單位是居里，表示在1s內發生3.7×1010次核衰變，符號為Ci。除居里外，過去常用的單位還有dps和dpm。其中，dps表示每秒鐘放射性元素衰變的次數：dpm表示每分鐘衰變的次數。