Die Prüfung der Kohlenstoffisotopenverhältnisse antiker Gesteinsschichten oder Fossilien kann hilfreich sein, um Zugang zu den klimatischen Bedingungen und der biologischen Produktivität zum Zeitpunkt ihrer Festlegung zu erhalten. Die Verwendung von Kohlenstoffisotopen auf diese Weise basiert auf dem Prinzip, dass photosynthetische Organismen wie Algen bevorzugt den leichteren und häufigeren Kohlenstoff-12 aufnehmen und den schwereren Kohlenstoff-13 zurücklassen. Während eines Massensterbens wird Kohlenstoff-12 weniger bevorzugt aufgenommen, was sich in den Sedimenten widerspiegelt.
Die Analyse von Kohlenstoffisotopenverhältnissen ist beim Zugang zu den Auswirkungen von Massenaussterben üblich, obwohl die genaue Beziehung zwischen den Kohlenstoffisotopenverhältnissen und der Produktivität nicht vollständig verstanden ist. Die Analyse dieser Isotope scheint darauf hinzudeuten, dass das Leben in den letzten halben Milliarde Jahren fünf große Ausrottungen erlebt hat, von denen jedoch drei deutlich bedeutender waren als die anderen beiden. All diese Massenaussterben wurden durch einen abrupten Rückgang der Biodiversität im Fossilienbestand bestätigt. Veränderungen der Kohlenstoffisotope im Laufe der Zeit werden als Inkursionen bzw. Exkursionen bezeichnet.
Neben dem Zugang zu Massenaussterben werden Kohlenstoffisotopenverhältnisse auch verwendet, um den Ursprung des Lebens abzuschätzen. Kürzlich deuteten Beweise für Kohlenstoffisotope auf einen extrem frühen Ursprung von photosynthetischen Cyanobakterien, den ersten bekannten lebenden Organismen, bis vor 4.3 Milliarden Jahren hin, nur 100 Millionen Jahre nach der anfänglichen Verflüssigung des Wassers und etwa 267 Millionen Jahre nach der Bildung des Erde selbst. Wenn das stimmt, ist dies faszinierend, da frühere Schätzungen über die Entstehung des Lebens viel später, vor etwa 3.6 Milliarden Jahren, begründet wurden. Wenn sich Leben so kurz nach der Entstehung der Erde gebildet hat, warum erscheint es dann im Kosmos im Allgemeinen so selten? Vielleicht besteht das meiste Leben im Universum nur aus Mikroben, aber wenn ja, mag es ungewöhnlich erscheinen, dass sich keine dieser Mikroben zu intelligenten Wesen entwickelt hat, die uns besucht haben.
Mit Hilfe von Kohlenstoffisotopenverhältnissen lässt sich auch der Grad der Zirkulation in den Ozeanen vor Millionen von Jahren ermitteln. Bei geringer Zirkulation sinkt kohlenstoffreiches Biomaterial auf den Meeresboden und bleibt dort. Dadurch sind nachfolgende Organismen an der Spitze vergleichsweise reich an Kohlenstoff-12. Wenn die Zirkulation gut ist, wird Kohlenstoff-13 von unten wieder nach oben gebracht und Organismen haben ein normales Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-12.