Termi “luonnollinen radioaktiivisuus” viittaa kaikkiin radioaktiivisuuden lähteisiin, jotka eivät ole ihmisen tekemiä. Suurimpia luonnollisen radioaktiivisuuden lähteitä ovat kosminen säteily, maanpäällinen säteily ja ihmiskehon materiaalista tuleva säteily. Vaikka ihmisen tekemien laitteiden tuottama korkea säteilytapa tappaa ihmissoluja ja voi aiheuttaa syöpää, luonnollisilla alhaisilla tasoilla ei ole havaittu olevan haitallisia terveysvaikutuksia. Jokainen ihminen saa keskimäärin 2.4 millisievertiä (mSv) luonnollista säteilyä vuodessa, vaikka tämä määrä vaihtelee maantieteellisen sijainnin ja ammatin mukaan.
Kosminen säteily koostuu ulkoavaruuden subatomisista hiukkasista, lähinnä protoneista ja vetyytimistä. Aurinko säteilee myös auringonpurkausten aikana. Kun nämä varautuneet hiukkaset tulevat maapallon ilmakehään, ne törmäävät ilmakehän atomien ja molekyylien kanssa muodostaen muunlaisia subatomisia hiukkasia ja radioaktiivisia isotooppeja, mukaan lukien hiili-14.
Tietyn elementin isotoopit sisältävät saman määrän protoneja, mutta neutronien lukumäärä on erilainen. Carbon-14: n ydin sisältää 6 protonia ja 8 neutronia, mikä tekee yhteensä 14 ydinpartikkelia. Tämä isotooppi on radioaktiivinen, mikä tarkoittaa, että se hajoaa spontaanisti ja päästää hiukkasia. Hiili-14 lähettää elektronin hajoamaan stabiiliksi isotoopiksi typpi-14 tietyn ajan kuluessa. Hiili-14: tä sisältävät materiaalit voidaan sijoittaa geologiseen aikaan käyttämällä prosessia, joka tunnetaan nimellä radiohiilikuittaus, jossa materiaalin hiili-14-määrää käytetään sen iän määrittämiseen.
Maanpäällinen säteily on toiseksi suurin luonnollisen radioaktiivisuuden lähde. Tämä säteily tulee hiilen ja kaliumin isotooppeista sekä toriumista ja uraanista, joita voi esiintyä maaperässä, kivissä tai vedessä. Kaksi jälkimmäistä isotooppia hajoavat radoniksi ja radiumiksi, jotka ovat erittäin radioaktiivisia, vaikkakin harvinaisia. Niiden hajoamisnopeus on myös melko pitkä-esimerkiksi uraani-238: n puoliintumisaika on 4.5 miljardia vuotta, mikä tarkoittaa, että kestää 4.5 miljardia vuotta, ennen kuin tietty määrä ainetta vähenee hajoamisen myötä puoleen. Uraanin pitkä puoliintumisaika tekee sen vaikutuksesta ihmisiin vähäpätöisen.
Maanpäällisen ja kosmisen luonnollisen radioaktiivisuuden lähteiden lisäksi ihmiskehossa olevat aineet tuottavat myös säteilyä. Ihmiskehossa olevilla radioaktiivisilla isotoopeilla on maanpäällinen lähde, koska ne on nautittu ruoan, veden tai ilman kautta. Niihin kuuluvat hiili-14, kalium-40, uraani, torium, radium ja jotkut muut. Näiden aineiden pitoisuudet ovat suurimmaksi osaksi varsin alhaiset, korkeimmat hiilen ja kaliumin pitoisuudet.
Henkilön saaman luonnollisen radioaktiivisuuden määrä riippuu maantieteellisestä sijainnista. Tietyt alueet sisältävät maaperää, joka on rikastettu tietyllä isotoopilla mineraaliesiintymien tai orgaanisten prosessien vuoksi. Esimerkiksi kosteikot voivat sisältää enemmän uraania tämän alkuaineen sisältävän orgaanisen materiaalin hajoamisen vuoksi. Korkeammilla alueilla on yleensä enemmän kosmista säteilyä, koska ne ovat korkeammalla ilmakehässä. Astronautit ja lentäjät saavat enemmän kosmista säteilyä päivittäin kuin keskimääräinen henkilö samasta syystä.