Een eerste inzicht komt van de relatieve datering van gesteentelagen. Geologen hebben veel onderzoek gedaan naar de verschillende "aardlagen" (stratigrafie). Als lagen niet zijn verstoord door plooiing en gebergtevorming, ligt altijd de jongere laag boven de oudere laag (relatieve ouderdom). Deze lagen laten zich lezen als de pagina’s van een boek. Zo heeft elke laag heeft zijn eigen kenmerken en fossielen, en door verschillende lagen te onderzoeken op verschillende plekken op aarde hebben geologen de indeling in tijdperken kunnen maken. Op dat punt weet men dus, welke pagina’s van het geologische boek voor, en welke na de andere komen. Charles Leyll kwam reeds omstreeks 1830 met enkele principes die ook vandaag de dag, behoudens uitzonderingen, nog geldige vuistregels zijn:

• Principe van superpositie: lagen die boven andere lagen liggen, zijn ook jonger.
• Principe van oorspronkelijke horizontaliteit: lagen zijn oorspronkelijk min of meer horizontaal afgezet.
• Principe van zijwaartse uitstrekking: een laag loopt horizontaal door tot er een structuur of wijziging is die de laag onderbreekt.
• Principe van doorsnijding: een structuur die een andere doorsnijdt is jonger.
• Principe van inclusie: een structuur die omsloten wordt door een andere, is ouder.
• Principe van uniformiteit: de fysische processen die vroeger deze lagen vormden, zijn dezelfde als deze die vandaag werkzaam zijn.

De gelaagdheid aan deze klifkust is vrijwel horizontaal.

Daarnaast kan men ook heel wat afleiden uit de fossielen die in aardlagen worden gevonden. Het was immers al snel duidelijk dat er patronen naar boven komen wanneer men kritisch kijkt naar de fossielen die er gevonden worden: zo vind je in zeer oude lagen nooit zoogdierfossielen. In jonge lagen zie je dan weer geen trilobieten. Aan de basis van dit fenomeen ligt het evolutionaire proces van de ontwikkeling van het leven. Men kan dus niet alleen op een bepaalde plaats zien welke afzettingen ouder of jonger zijn dan andere. Door de fossielen in afzettingen in verschillende delen van de wereld te vergelijken, kan men ook horizontaal lagen van vergelijkbare ouderdom aan elkaar koppelen. Een bijzondere rol hierin spelen de zgn. ‘gidsfossielen’. Dit zijn fossielen van organismen die (1) talrijk voorkomen en een groot verspreidingsgebied hadden, (2) vlot herkenbaar zijn, en (3) slechts een beperkte periode geleefd hebben. Vindt men een gidsfossiel in een bepaalde laag in Europa, en hetzelfde fossiel in een laag in Afrika, kan men aannemen dat deze lagen ongeveer even oud zijn. Deze gidsfossielen zijn met andere woorden belangrijke ‘ijkpunten’ om lagen van dezelfde ouderdom aan met mekaar in verband te brengen.

Een soortgelijke vorm van ‘ijkpunten’ wordt geleverd door regionale of mondiale catastrofale gebeurtenissen zoals grote vulkaanuitbarstingen of meteorietinslagen. Een bekend voorbeeld is de meteorietinslag die de grens tussen het Krijt en Paleogeen markeert, en welke mondiaal een dun laagje iridiumrijk materiaal heeft afgezet.

Maar om te antwoorden op de vraag hoe oud deze lagen nu precies zijn, moet men deze op aan absolute manier kunnen dateren. Historisch gebeuren hier ruwe schattingen toe, die voornamelijk gebaseerd waren op extrapolaties van waarnemingen van de snelheid van recente geologische processen. Hier zat vanzelfsprekend een zeer grote foutenmarge op. Een ware revolutie binnen de absolute datering is er gekomen vanuit de kernfysica. De wetenschap van radiometrische datering laat toe om bepaalde lagen relatief nauwkeurig te dateren op basis van het verval van radioactieve isotopen. Bepaalde atomen komen voor in verschillende versies (met een verschillend aantal atoomdeeltjes) die we isotopen noemen. Sommige isotopen zijn niet stabiel, en vervallen in een ander atoom waarbij radioactiviteit vrijkomt. Belangrijk is dat dit verval steeds gebeurt aan een constante snelheid, die vaak wordt uitgedrukt met de term ‘halfwaardetijd’. Dit is de tijd die nodig is opdat de helft van het aantal aanwezige isotopen omgezet is naar vervalproducten. De halfwaardetijd is voor iedere soort radioactieve isotoop verschillend.

Van sommige radioactieve (onstabiele) isotopen is het bekend in welke hoeveelheden ze voor kwamen in vergelijking met stabiele isotopen toen het gesteente gevormd werd. Door de verhouding van deze twee soorten isotopen in een gesteente te onderzoeken kan vrij nauwkeurig berekend worden wanneer het gesteente ontstaan moet zijn.

Een sterk vereenvoudigd voorbeeld: Bij het stollen van een lavastroom is bekend dat er geen ‘Lood-207’ in aanwezig maar wel het onstabiele isotoop ‘Uranium-235’. Dit isotoop vervalt, waarbij Lood-207 wordt gevormd. Dit verval van Uranium-235 gebeurt met een halfwaardetijd van ca. 700 miljoen jaar. Dit wil zoveel zeggen als dat na ongeveer 700 miljoen jaar precies de helft van het aanwezige Uranium-235 zal omgezet zijn naar Lood-207, waardoor de verhouding tussen beide elementen op dat ogenblik gelijk zou zijn. Wanneer gesteentesamples uit deze lavastroom onderzocht worden in een laboratorium blijkt de verhouding Lood-207/Uranium-235 = 3/4. Uitgaande van de halfwaardetijd kunnen we nu de geschatte ouderdom berekenen: de lavastroom is dus 3/4 x 700 = 525 Miljoen jaar oud.

Er zijn verschillende isotopen die gebruikt kunnen worden voor datering van gesteenten. Hieronder een overzicht van de verschillende methoden. Lang niet alle gesteenten lenen zich voor radiometrische datering. Een typische toepassing is deze op vulkanische gesteenten. Verschillende opeenvolgende vulkaanuitbarstingen kunnen zorgen voor lagen in een geologisch profiel, die elk individueel dateerbaar zijn. De datering van twee vulkanische afzettingslagen geeft een afbakening van de mogelijke ouderdom van de tussenliggende sedimenten.