Ο όρος «φυσική ραδιενέργεια» αναφέρεται σε οποιαδήποτε πηγή ραδιενέργειας που δεν είναι ανθρωπογενής. Οι κύριες πηγές φυσικής ραδιενέργειας περιλαμβάνουν την κοσμική ακτινοβολία, την επίγεια ακτινοβολία και την ακτινοβολία από υλικό στο ανθρώπινο σώμα. Ενώ τα υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας που παράγονται από ανθρωπογενείς συσκευές σκοτώνουν τα ανθρώπινα κύτταρα και μπορεί να προκαλέσουν καρκίνο, τα χαμηλά επίπεδα που εμφανίζονται φυσικά δεν έχει βρεθεί ότι έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία. Κάθε άνθρωπος λαμβάνει κατά μέσο όρο 2.4 millisievert (mSv) φυσικής ακτινοβολίας ετησίως, αν και αυτό το ποσό ποικίλλει ανάλογα με τη γεωγραφική θέση και το επάγγελμα.
Η κοσμική ακτινοβολία αποτελείται από υποατομικά σωματίδια από το διάστημα, κυρίως πρωτόνια και πυρήνες υδρογόνου. Ο ήλιος εκπέμπει επίσης ακτινοβολία κατά τις ηλιακές εκλάμψεις. Όταν αυτά τα φορτισμένα σωματίδια εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης, συγκρούονται με ατμοσφαιρικά άτομα και μόρια για να δημιουργήσουν άλλους τύπους υποατομικών σωματιδίων και ραδιενεργών ισοτόπων, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα-14.
Τα ισότοπα ενός δεδομένου στοιχείου θα έχουν πρωτόνια του ίδιου αριθμού, αλλά ο αριθμός των νετρονίων θα είναι διαφορετικός. Ο άνθρακας-14 έχει έναν πυρήνα που περιέχει 6 πρωτόνια και 8 νετρόνια, αποτελώντας συνολικά 14 πυρηνικά σωματίδια. Αυτό το ισότοπο είναι ραδιενεργό, που σημαίνει ότι υφίσταται αυθόρμητα διάσπαση και εκπέμπει σωματίδια. Ο άνθρακας-14 εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο για να διασπαστεί στο σταθερό ισότοπο άζωτο-14 σε μια σταθερή χρονική περίοδο. Τα υλικά που περιέχουν άνθρακα-14 μπορούν να τοποθετηθούν σε γεωλογικό χρόνο χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα, στην οποία η ποσότητα άνθρακα-14 στο υλικό χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ηλικίας του.
Η επίγεια ακτινοβολία είναι η δεύτερη κύρια πηγή φυσικής ραδιενέργειας. Αυτή η ακτινοβολία προέρχεται από ισότοπα άνθρακα και καλίου, καθώς και από το θόριο και το ουράνιο, που μπορεί να βρεθούν στο έδαφος, στα πετρώματα ή στο νερό. Τα δύο τελευταία ισότοπα διασπώνται σε ραδόνιο και ράδιο, τα οποία είναι εξαιρετικά ραδιενεργά, αν και σπάνια. Ο ρυθμός διάσπασής τους είναι επίσης αρκετά μεγάλος – για παράδειγμα, το ουράνιο-238 έχει χρόνο ημιζωής 4.5 δισεκατομμυρίων ετών, που σημαίνει ότι χρειάζονται 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια για μια δεδομένη ποσότητα της ουσίας να μειωθεί στο μισό μέσω της διάσπασης. Ο μεγάλος χρόνος ημιζωής του ουρανίου καθιστά αμελητέα την επίδρασή του στον άνθρωπο.
Εκτός από τις επίγειες και κοσμικές πηγές φυσικής ραδιενέργειας, ουσίες στο ανθρώπινο σώμα παράγουν επίσης ακτινοβολία. Η συστοιχία των ραδιενεργών ισοτόπων που βρίσκονται στο ανθρώπινο σώμα έχει μια επίγεια πηγή, αφού έχουν προσληφθεί μέσω της τροφής, του νερού ή του αέρα. Περιλαμβάνουν άνθρακα-14, κάλιο-40, ουράνιο, θόριο, ράδιο και μερικά άλλα. Οι συγκεντρώσεις αυτών των ουσιών είναι ως επί το πλείστον αρκετά χαμηλές, με τις υψηλότερες να είναι αυτές του άνθρακα και του καλίου.
Η ποσότητα της φυσικής ραδιενέργειας που λαμβάνει ένα άτομο εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση. Ορισμένες περιοχές περιέχουν εδάφη εμπλουτισμένα με ένα συγκεκριμένο ισότοπο λόγω κοιτασμάτων ορυκτών ή οργανικών διεργασιών. Για παράδειγμα, οι υγρότοποι μπορεί να περιέχουν περισσότερο ουράνιο λόγω της αποσύνθεσης του οργανικού υλικού που περιέχει αυτό το στοιχείο. Οι περιοχές με υψηλότερο υψόμετρο τείνουν να δέχονται περισσότερη κοσμική ακτινοβολία, καθώς βρίσκονται υψηλότερα στην ατμόσφαιρα. Οι αστροναύτες και οι πιλότοι λαμβάνουν περισσότερη κοσμική ακτινοβολία σε καθημερινή βάση από τον μέσο άνθρωπο για τον ίδιο λόγο.