In primo luogo vanno considerate le sostanze radioattive.

Esse sono caratterizzate dal fatto di avere il nucleo in condizioni energetiche di non equilibrio. Per il resto, le loro proprietà chimiche sono del tutto identiche a quelle dei nuclidi stabili aventi lo stesso numero atomico. I nuclidi radioattivi, ovvero, i radionuclidi, raggiungono stati energetici più stabili emettendo energia sotto forma di radiazioni ionizzanti, nel processo detto di disintegrazione o decadimento radioattivo. Il tipo di decadimento più "pesante" consiste nell'emissione di una particella a, ovvero di un consistente frammento del nucleo; questa modalità di decadimento è caratteristica dei nuclei più pesanti (uranio, torio, radio, polonio ...). Un'altra via percorsa dai nuclei radioattivi verso il raggiungimento dello stato stabile è l'emissione di una particella avente la stessa massa e carica elettrica dell'elettrone: la cosiddetta radiazione b, che è accompagnata dalla sparizione di un neutrone del nucleo e dalla creazione di un protone. In entrambi i casi, ulteriore energia in eccesso può essere emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica (radiazione g ). Sia il decadimento a che b  producono una modificazione del numero atomico, che diminuisce di 2 nel primo caso e aumenta di 1 nel secondo, con conseguente mutamento della natura e delle proprietà chimiche della sostanza che decade. Esiste anche la possibilità di decadimento radioattivo con sola emissione di energia in eccesso in forma di radiazione g, senza alcun mutamento di natura. I radionuclidi soggetti a quest'ultimo tipo di decadimento sono detti metastabili. Ogni specie di radionuclide decade sempre nello stesso modo, emettendo fotoni g o particelle a sempre della stessa energia.

Inoltre, ogni radionuclide di una data specie ha una ben definita probabilità di andare incontro a decadimento in un dato tempo. Questo implica che, dato un numero iniziale qualsiasi di nuclei radioattivi di una data specie, è definito il tempo dopo il quale la metà saranno decaduti, emettendo la loro radiazione caratteristica. Il numero rimasto di nuclei, pari alla metà di quello iniziale, si dimezzerà a sua volta al trascorrere di un altro intervallo di tempo uguale al precedente. Questo tempo è il tempo di dimezzamento, che è una caratteristica fondamentale di ogni radionuclide. Le specie radioattive oggi presenti naturalmente sul nostro pianeta sono quelle caratterizzate da un tempo di dimezzamento abbastanza lungo da assicurare la permanenza di un rilevante numero di nuclei a partire (almeno) dalla formazione del sistema solare, 5 miliardi di anni fa. Si tratta dell'uranio 238, del torio 232, dell'uranio 235 e del potassio 40. I primi tre radionuclidi decadono generando a loro volta famiglie di specie nucleari radioattive, pure esse dunque rinvenibili in natura in quanto prodotte continuamente dai radionuclidi capostipiti. I radionuclidi naturali sono oggi di gran lunga i maggiori contributori all'esposizione ambientale a radiazioni ionizzanti. Tutti gli altri radionuclidi, presenti nella fase iniziale di formazione del sistema solare, sono ormai da tempo spariti di scena.

Tra le sorgenti naturali di radiazioni ionizzanti vanno citati i raggi cosmici, particelle cariche di alta energia (protoni, particelle g) prodotte da esplosioni stellari galattiche, o liberate più vicino a noi nello spazio da eruzioni e macchie sulla superficie del nostro sole. Queste particelle cariche interagiscono con le molecole dell'aria dell'atmosfera esterna, producendo con continuità alcuni radionuclidi a vita breve o media, di cui il più noto è il carbonio 14 (C-14), tempo di dimezzamento 5730 anni, i quali, trasportati al suolo, entrano a far parte dell'ecosistema terrestre. L'esposizione complessiva dovuta a questi radionuclidi cosiddetti cosmogenici è peraltro trascurabile.