L'azote constituant 78,11% de l'atmosphère terrestre, cette réaction est celle qui est généralement privilégiée. C'est entre 7 000 mètres et 12 000 mètres d'altitude que la production de radiocarbone a lieu. De plus, le radiocarbone réagit rapidement avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone. Ce gaz a la caractéristique de circuler dans toute l'atmosphère et de se dissoudre dans les océans pour former des carbonates. Du radiocarbone circule donc aussi dans les océans. Le dioxyde de carbone réagit également avec la biosphère. Le radiocarbone est assimilé par les plantes lors de la photosynthèse. Les organismes marins assimilent également le radiocarbone présent dans les océans. Le radiocarbone se répand donc dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire. Le rapport ¹⁴C / C total est considéré comme uniforme dans l'atmosphère, la surface des océans et la biosphère en raison de ces échanges permanents entre les organismes vivants et leur milieu. Enfin, dans la mesure où l'on suppose que le flux de rayons cosmiques est constant sur une longue période de temps on considère le taux de production du radiocarbone comme étant lui même constant. Cela suppose alors un rapport ¹⁴C / C total dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère, constant, avec un nombre d'atomes produits qui compense le nombre d'atomes qui se décompose avec le temps en ¹²C.

- Principes de la méthode

À la mort d'un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse mais du radiocarbone reste piégé et sa quantité se met à décroître exponentiellement selon le processus de la décroissance radioactive. La datation au ¹⁴C se fonde ainsi sur la présence dans tout organisme de radiocarbone en infime proportion (de l'ordre de 10 à 12 pour le rapport ¹⁴C / C total). A partir de l'instant où meurt un organisme, la quantité de radiocarbone qu'il contient ainsi que son activité radiologique décroissent au cours du temps selon une loi exponentielle, ce qui est l'intérêt majeur de cette méthode. Un gramme de carbone contient une quantité de carbone 14 suffisante pour qu'un compteur puisse détecter 13,56 désintégrations par minute. La datation au ¹⁴C est donc une méthode de datation radioactive basée sur la mesure de l'activité radiologique du ¹⁴C contenu dans de la matière organique dont on souhaite connaître l'âge absolu depuis sa mort. L'âge ¹⁴C d'un échantillon de matière organique est calculé à partir de la demi-vie conventionnelle de 5568 ± 30 ans (Libby, 1950), bien que des mesures plus précises donnent une période de 5730 ± 40 ans (Godwin, 1962). Malgré cette avancée, les laboratoires continuent à utiliser la valeur conventionnelle pour éviter les confusions.

La méthode la plus courante de datation consiste à déterminer la concentration C_t de radiocarbone (c'est-à-dire le rapport ¹⁴C / C total) d'un échantillon à l'instant t de mesure ; l'âge de l'échantillon est alors donné par la formule :

où C₀ est la concentration de radiocarbone de l'échantillon à l'instant t₀ de la mort de l'organisme d'où provient l'échantillon (C₀ = 10^-12) et λ la constante radioactive du ¹⁴C:

Un échantillon de matière organique issu d'un organisme peut donc être daté en mesurant soit le rapport ¹⁴C / C total avec un spectromètre de masse, soit son activité x années après la mort de l'organisme. Aujourd'hui, la mesure directe du rapport ¹⁴C / C total par spectrométrie de masse est privilégiée car elle permet de dater des échantillons beaucoup plus petits (moins d'un milligramme contre plusieurs grammes de matière organique auparavant) et beaucoup plus vite (en moins d'une heure contre plusieurs jours ou semaines). Le carbone extrait de l'échantillon est d'abord transformé en graphite, puis en ions qui sont accélérés par la tension générée par un spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules. Les différents isotopes du carbone sont séparés grâce à un aimant ce qui permet de compter les ions de ¹⁴C. L'intérêt de la datation par le ¹⁴C est qu'elle repose sur des lois physiques spécifiques à cet élément chimique, et ne dépend donc que très peu des paramètres environnementaux. Cette méthode ne s'applique qu'aux vestiges archéologiques contenant de la matière organique sous forme de carbone : charbons de bois, ossements, restes végétaux, tourbes, carbonates et autres résidus organiques.

Les résultats sont donnés en années " before present " (B.-P.). L'année zéro (à partir de laquelle est mesurée le temps écoulé depuis la mort de l'organisme dont cette matière est issue) est fixé à 1950, en supposant un niveau de radiocarbone égal à celui de cette même année, car depuis la pollution a modifié notablement le taux atmosphérique du dioxyde de carbone.

- Une méthode contraignante

La datation par le ¹⁴C nécessite de longues préparations en laboratoire car les échantillons peuvent avoir été contaminés de diverses manières, soit pendant l'enfouissement, soit au moment de leur découverte. On fait donc subir aux échantillons une série de traitements physico-chimiques qui vont les purifier de ces contaminations. Ça n'est qu'ensuite que l'on extrait le carbone de l'échantillon, et que l'on mesure la quantité de noyaux radioactifs présente dans l'échantillon. Le domaine d'utilisation de cette méthode correspond à des âges absolus de quelques centaines d'années jusqu'à environ 50 000 ans. Au-delà, les échantillons ne peuvent être datés au 14C car le rapport ¹⁴C / C total est trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles. Cette méthode dispose d'une bonne précision jusqu'à 35 000 ans et il est déconseillé de l'utiliser pour des vestiges plus anciens.

- Les limites de la méthode

On constate après datation un rajeunissement systématique par le ¹⁴C d'échantillons bien datés par ailleurs (grâce à un calendrier par exemple, ou à la dendrochronologie). Ceci est dû au fait que la datation ¹⁴C repose sur l'hypothèse que le nombre initial de radioactif est constant, or on sait que la valeur calculée de 13,6 dpmg n'est constante que depuis deux millénaires environ, sans que l'on connaisse toutefois précisément les facteurs de variation. On suppose néanmoins que les variations du champ magnétique terrestre entraînent une modification du taux de production du radiocarbone naturel. C'est ainsi que la teneur en 14C atmosphérique a atteint un maximum entre 39 000 et 41 000 ans calendaires, lorsque le champ magnétique a brutalement chuté (excursion magnétique de Laschamp).

En outre, il faut tenir compte de l'existence d'un effet réservoir qui fait que le taux de ¹⁴C en milieu marin est plus faible que sur terre, et que les organismes assimilent préférentiellement du 12C (phénomène de fractionnement isotopique). Par conséquent, le rapport ¹⁴C / C total dans la biosphère n'est pas constant dans le temps. Il est donc nécessaire de construire des courbes d'étalonnage en confrontant les datations obtenues grâce au ¹⁴C et les datations par d'autres méthodes telles que la dendrochronologie, qui permet d'avoir des dates calibrées jusque 11 000 B.-P. IntCal04 est la dernière courbe d'étalonnage officielle. Elle ne permet cependant que de remonter à 26 000 ans calendaires (il y a 26 000 ans réels, c'est-à-dire 24 000 avant notre ère). Elle a été établie à partir de fossiles d'arbres datés par la dendrochronologie, des varves et de coraux datés par la méthode uranium - thorium (U / Th). D'autres courbes, la courbe CalPal par exemple, tentent de remonter jusqu'à 50 000 ans. Pour que le compteur ne mesure que la radioactivité β de l'échantillon, il est protégé du rayonnement cosmique parasite : on place le compteur et l'échantillon dans un "château de plomb", parfois lui-même entouré par une épaisseur d'un mètre d'eau. Certains laboratoires mesurant de très faibles radioactivités sont souterrains, l'épaisseur des roches arrêtant les rayons cosmiques. Des compteurs externes permettent d'identifier les rayonnements cosmiques qui passent malgré tout, et qui seront retranchés des désintégrations mesurées. Utilisé depuis une dizaine d'années, le spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules permet de dater des échantillons plus anciens (jusqu'à 45 000 ans) et de plus petites tailles (1 mg de carbone suffit), ce qui évite de sacrifier la totalité du spécimen à étudier.