Se focaliza en dos isótopos del uranio, U-238 y U-235, que decaen a formas estables del plomo, mediante unas complejas cadenas que incluyen la formación de torio. Con el reciente avance de las técnicas de espectrometría de masas, la datación mediante las series del uranio es la más adecuada para materiales carbonatados (espeleotemas y concreciones calcíticas en general).

En las condiciones ambientales más normales, el torio no es soluble en agua, mientras que el uranio sí lo es. Por lo tanto, aquellos materiales que se formen a partir del contenido mineral de estas aguas naturales, previsiblemente han de contener pequeñas cantidades de uranio y el torio estar ausente.

Debido a la naturaleza radiactiva intrínseca del uranio (el 238U es su isótopo natural más abundante), éste decaerá de manera espontánea, lenta y continuamente para formar el resto de su cadena de productos hijos, entre los que se encuentra el 230Th, que a su vez se desintegra naturalmente a otra velocidad mayor que el uranio padre. La relación entre la actividad de los isótopos padres e hijos variará hasta que se restaure el equilibrio natural (equilibrio secular), momento desde el cual ambas especies decaen a la misma velocidad, lo que determina el límite de edad medible por este método.

Para la datación por uranio-torio, esto ocurre en un tiempo de alrededor de medio millón de años. En el otro extremo, la antigüedad mínima calculable estará condicionada por la cantidad inicial de uranio y torio en la muestra y las condiciones instrumentales de medida, cobrando la mayor relevancia la capacidad de detección de la técnica analítica y su precisión.

Para detectar y medir las relaciones isotópicas se emplean técnicas analíticas de conteo de partículas, como la espectrometría alfa o la espectrometría de masas. La selección de la técnica de análisis más apropiada dependerá principalmente de la cantidad de muestra disponible para su análisis, características de la propia muestra, concentración en uranio y torio, precisión mínima deseada de las medidas y la propia antigüedad de la muestra a estudiar.