Testarea raporturilor izotopilor de carbon ale straturilor sau fosilelor antice poate fi de ajutor în accesarea condițiilor climatice și a productivității biologice la momentul în care acestea au fost stabilite. Utilizarea izotopului de carbon în acest fel se bazează pe principiul că organismele fotosintetice, cum ar fi algele, preiau de preferință carbonul-12 mai ușor și mai comun, lăsând în urmă carbonul-13 mai greu. În timpul unei extincții în masă, există o absorbție mai puțin preferențială a carbonului-12, iar acest lucru se reflectă în sedimente.
Analiza raporturilor izotopilor de carbon este obișnuită în accesarea impactului extincțiilor în masă, deși relația exactă dintre rapoartele izotopilor de carbon și productivitatea nu este complet înțeleasă. Analiza acestor izotopi pare să sugereze că viața a suferit cinci extincții mari în ultimele jumătate de miliard de ani, deși trei dintre acestea au fost semnificativ mai semnificative decât celelalte două. Toate aceste extincții în masă au fost coroborate de scăderi bruște ale biodiversității în evidența fosilă. Variațiile izotopilor de carbon în timp sunt cunoscute ca incursiuni și, respectiv, excursii.
Pe lângă accesul la extincțiile în masă, rapoartele izotopilor de carbon sunt, de asemenea, folosite pentru a estima originea vieții. Recent, dovezile izotopilor de carbon au indicat o origine extrem de timpurie a cianobacteriilor fotosintetice, primele organisme vii cunoscute, cu 4.3 miliarde de ani în urmă, la doar 100 de milioane de ani după lichefierea inițială a apei și la aproximativ 267 de milioane de ani după formarea Pământul însuși. Dacă este adevărat, acest lucru este fascinant, deoarece estimările anterioare ale originii vieții au plasat-o mult mai târziu, cu aproximativ 3.6 miliarde de ani în urmă. Dacă viața s-a format atât de curând după formarea inițială a Pământului, atunci de ce pare atât de rară în cosmos în general? Poate că majoritatea vieții din univers constau doar din microbi, dar dacă da, poate părea neobișnuit ca niciunul dintre acești microbi să nu fi evoluat încă în ființe inteligente care ne-au vizitat.
Raporturile izotopilor de carbon pot fi folosite și pentru a accesa gradul de circulație în oceane de acum milioane de ani. Când circulația este scăzută, biomaterialul bogat în carbon-12 se scufundă pe fundul mării și rămâne acolo. Acest lucru face ca organismele ulterioare din vârf să fie relativ bogate în carbon-13. Când circulația este bună, carbonul-12 de jos este adus înapoi în sus, iar organismele au un raport normal de carbon-12 la carbon-13.