Der Begriff „natürliche Radioaktivität“ bezieht sich auf jede Quelle von Radioaktivität, die nicht vom Menschen hergestellt wurde. Zu den wichtigsten Quellen natürlicher Radioaktivität gehören kosmische Strahlung, terrestrische Strahlung und Strahlung von Materialien im menschlichen Körper. Während die hohe Strahlung, die von künstlichen Geräten erzeugt wird, menschliche Zellen abtötet und Krebs verursachen kann, wurden bei den niedrigen, natürlich vorkommenden Strahlungswerten keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit festgestellt. Jeder Mensch erhält durchschnittlich 2.4 Millisievert (mSv) natürliche Strahlung pro Jahr, wobei diese Menge je nach geografischer Lage und Beschäftigung variiert.
Kosmische Strahlung besteht aus subatomaren Teilchen aus dem Weltraum, meist Protonen und Wasserstoffkernen. Die Sonne emittiert auch während Sonneneruptionen Strahlung. Wenn diese geladenen Teilchen in die Erdatmosphäre eintreten, kollidieren sie mit atmosphärischen Atomen und Molekülen, um andere Arten von subatomaren Teilchen und radioaktiven Isotopen, einschließlich Kohlenstoff-14, zu erzeugen.
Die Isotope eines bestimmten Elements haben Protonen der gleichen Anzahl, aber die Anzahl der Neutronen ist unterschiedlich. Kohlenstoff-14 hat einen Kern, der 6 Protonen und 8 Neutronen enthält, was insgesamt 14 Kernteilchen ergibt. Dieses Isotop ist radioaktiv, das heißt, es zerfällt spontan und emittiert Teilchen. Kohlenstoff-14 emittiert ein Elektron, das über einen festgelegten Zeitraum in das stabile Isotop Stickstoff-14 zerfällt. Materialien, die Kohlenstoff-14 enthalten, können mit einem Verfahren, das als Radiokohlenstoff-Datierung bekannt ist, in geologische Zeit eingeordnet werden, bei dem die Menge an Kohlenstoff-14 im Material verwendet wird, um sein Alter zu bestimmen.
Terrestrische Strahlung ist die zweitwichtigste Quelle natürlicher Radioaktivität. Diese Strahlung stammt von Isotopen von Kohlenstoff und Kalium sowie von Thorium und Uran, die in Böden, Gesteinen oder Wasser vorkommen können. Die beiden letztgenannten Isotope zerfallen in Radon und Radium, die zwar extrem radioaktiv, aber selten sind. Auch ihre Zerfallsrate ist recht lang – zum Beispiel hat Uran-238 eine Halbwertszeit von 4.5 Milliarden Jahren, was bedeutet, dass es 4.5 Milliarden Jahre dauert, bis eine bestimmte Menge der Substanz durch Zerfall um die Hälfte reduziert ist. Die lange Halbwertszeit von Uran macht seine Wirkung auf den Menschen vernachlässigbar.
Neben terrestrischen und kosmischen Quellen natürlicher Radioaktivität produzieren auch Stoffe im menschlichen Körper Strahlung. Die im menschlichen Körper vorkommenden radioaktiven Isotope haben eine terrestrische Quelle, da sie über Nahrung, Wasser oder Luft aufgenommen wurden. Dazu gehören Kohlenstoff-14, Kalium-40, Uran, Thorium, Radium und einige andere. Die Konzentrationen dieser Stoffe sind meist recht gering, die höchsten sind die von Kohlenstoff und Kalium.
Die Menge an natürlicher Radioaktivität, die eine Person erhält, hängt von der geografischen Lage ab. Bestimmte Gebiete enthalten Böden, die aufgrund von mineralischen Ablagerungen oder organischen Prozessen mit einem bestimmten Isotop angereichert sind. Zum Beispiel können Feuchtgebiete aufgrund des Zerfalls von organischem Material, das dieses Element enthält, mehr Uran enthalten. Höhere Gebiete erhalten tendenziell mehr kosmische Strahlung, da sie höher in der Atmosphäre liegen. Astronauten und Piloten erhalten aus dem gleichen Grund täglich mehr kosmische Strahlung als der durchschnittliche Mensch.