La radioactividad fue descubierta por Henri Becquerel en 1896, al observar el efecto de sales de Uranio sobre emulsiones fotográficas. En menos de dos décadas los físicos mostraron que, justamente a través de este proceso, algunos elementos químicos se transmutan en otros de manera espontánea. Los núcleos de átomos radiactivos emiten partículas subatómicas (rayos alfa y beta) y radiación (rayos gamma), cambiando el número de protones y neutrones en su interior. Cada especie radioactiva tiene una "vida media", definida como el tiempo en que la mitad de los átomos se convierten en un elemento mas ligero. Si sabemos cual fué la abundancia inicial de cierta especie radiactiva en un objeto y medimos la abundancia actual, podemos calcular la edad de este objeto.
Tal vez el ejemplo mas familar sea el del carbono-14. La mayor parte del carbono está formado por carbono-12, átomos cuyos núcleos tienen 6 protones y 6 neutrones; una pequeña fracción de los núcleos de carbono en un objeto tienen 6 protones y 8 neutrones, siendo estos los núcleos de los átomos de carbono-14. Mientras que el carbono-12 es estable, el carbono-14 tiene una vida media de 5570 años, lo que significa que en este lapso de tiempo la proporción de carbono-14 a carbono-12 se reduce a la mitad, convitiéndose los átomos faltantes en nitrógeno-14 (7 protones y 7 neutrones). Después de unas cinco o seis vidas medias (es decir unos 30,000 años en el caso del carbono), la abundancia del isótopo radiactivo comienza a ser demasiado baja para ser medible y es necesario buscar algún otro isótopo radiactivo de vida media mas larga para poder hacer mediciones de edad.
La cosmocronología intenta estimar la edad del Universo a partir de mediciones directas de las edades de sus componentes. En un Universo en expansión se estima que el proceso de formación de galaxias llevó unos mil millones de años, con lo que si pudieramos medir la edad de la galaxias tendriamos buena idea de la edad del Universo. En la práctica practicamente todas las estimaciones de edades se hacen para nuestra galaxia -la Vía Láctea-, ya que solo en este caso podemos obtener suficientes datos para una estimación correcta de la edad. Los cuatro métodos mas confiables para medir la edad de la Galaxia son: la estimación de las edades de los cúmulos glóbulares mas viejos; las edades de las enanas blancas mas viejas (a partir de su enfriamiento); la medición de torio radiactivo en estrellas de tipo parecido al Sol; la medición de elementos radiactivos en el sistema solar. Los dos últimos métodos son los que forman la "cosmocronología nuclear". Los otros dos métodos dan edades de 15 mil millones de años para los los cúmulos globulares mas viejos, y unos 11 mil millones de años para las estrellas enanas blancas mas viejas.
En 1929, Ernest Rutherford notó que por cada átomo del isótopo Uranio-235 hay cerca de 140 átomos de Uranio-238. A partir sus vidas medias (704 y 4470 millones de años respectivamente), y suponiendo inicialmente un mismo número de átomos para cada isótopo, infirió una edad de 6 mil millones de años para la Vía Láctea. Las estimaciones que se hacen en la actualidad son mucho mas cuidadosas, ya que toman en consideración la producción y destrucción de elementos químicos en los interiores de las estrellas. Entre los isótopos radiactivos que se emplean hay unos de vida media mayor que la del Universo: 42.8 mil millones de años para el Renio-187 y 48 mil millones de años para el Rubidio-87. El mas útil de estos isótopos parece ser el torio-232 que decae en Plomo-208 en 14 mil millones de años. Como este tiempo es parecido a la edad de la Galaxia, la cantidad de Torio-232 que ha decaido es apreciable (como la mitad) pero no demasiado alta como para que no haya suficiente Torio-232 susceptible de ser medido. El principal problema para realizar estas mediciones radican en la espectroscopía de las débiles líneas del Torio y el isótopo estable de referencia (comunmente el Neodimio). La mediciones de la proporción de Torio a Neodimio en estrellas similares al Sol ("tipo espectral G") arrojan una edad de entre 9 y 14 mil millones de años para el disco de la Galaxia. Existen otros indicadores, como la proporción de Uranio-238 a Torio-232 o de Renio-187 a Osmio-187, que dan valores similares.
Aparte de los métodos de datación directa, los astrofísicos estiman la edad del Universo a partir de su tasa de expansión. Uno de los conflictos que frecuentemente aparecen es la de un Universo cuya edad (medida) es menor que la de sus componentes. Las observaciones actuales de la recesión de las galaxias dan una edad de cuando mucho 14 mil millones de años, en conflicto con 14 mil millones de años para la Vía Láctea y 15 mil millones de años para los cúmulos globulares mas viejos. Curiosamente, las incertidumbres inherentes a cada una de estas observaciones permiten a los astrónomos vivir tranquilos en un Universo aparentemente mas joven que sus constituyentes.