Le 238U, d’une demi-vie d’environ 4,5 milliards d’années, se désintègre en 234U par émission d’une particule alpha dans le thorium-234 (234e), qui est relativement instable avec une demi-vie de seulement 24 jours. La 234e se désintègre ensuite par émission de particules bêta en protactinium-234 (234Pa). Celui-ci se désintègre avec une demi-vie de 6,7 heures, toujours par émission d’une particule bêta, en 234U. Cet isotope a une demi-vie d’environ 245 000 ans. Le produit de désintégration suivant, le thorium-230 (230e), a une demi-vie d’environ 75 000 ans et est utilisé dans la technique uranium-thorium. Bien que plus simple sur le plan analytique, en pratique 234U / 238U nécessite une connaissance du rapport au moment de la formation du matériau à l’étude et n’est généralement utilisé que pour des échantillons plus anciens que le ca. limite supérieure de 450 000 ans de la technique 230Th /238U. Pour les matériaux (principalement les carbonates marins) pour lesquels ces conditions s’appliquent, cela reste une technique supérieure.
Contrairement à d’autres techniques de datation radiométrique, celles utilisant la série de désintégration de l’uranium (à l’exception de celles utilisant les isotopes finaux stables 206Pb et 207Pb) comparent les rapports de deux isotopes instables radioactifs. Cela complique les calculs car les isotopes parents et filles se désintègrent avec le temps en d’autres isotopes.
En théorie, la technique 234U/ 238U peut être utile pour dater des échantillons entre environ 10 000 et 2 millions d’années avant le Présent (BP), soit jusqu’à environ huit fois la demi-vie de 234U. En tant que tel, elle fournit un pont utile dans les techniques de datation radiométrique entre les plages de 230Th / 238U (précises jusqu’à env. 450 000 ans) et la datation U–Pb (précise jusqu’à l’âge du système solaire, mais problématique sur des échantillons de moins de 2 millions d’années environ).