La principale source de radioactivité naturelle est due à la présence dans la croûte terrestre de trois noyaux radioactifs primordiaux : le thorium-232, l'uranium-235 et l'uranium-238. En raison de leurs très longues durées de vie (de l'ordre du milliard ou de plusieurs milliards d'années), ils sont encore loin d'avoir disparu et font pour cette raison partie intégrante de notre environnement.

Ces trois noyaux radioactifs sont les plus gros observés dans la nature. Ils étaient déjà présents dans des nuages de poussière interstellaire dont l'agrégation a donné lieu à la formation d'étoiles et de planètes, comme cela s'est passé pour le Soleil et la Terre il y a 4,5 milliards d'années. Ces nuages sont produits lors de l'explosion de supernovæ, des événements spectaculaires qui marquent la fin de la vie de très grosses étoiles et permettent de fabriquer des noyaux plus lourds que le fer.

Le thorium-232, l'uranium-235 et l'uranium-238 sont les ancêtres de trois familles radioactives et engendrent une descendance d'autres noyaux radioactifs à vie plus courte. C'est ainsi que dans le granit, on trouve à côté de l'uranium des traces de radium. Cet élément radioactif ne vit que 1600 ans. Il aurait disparu depuis longtemps s'il n'était régénéré en permanence en tant que membre de la chaîne radioactive de l'uranium-238.

Le rayonnement « tellurique », le rayonnement des roches, dû à la présence de l'uranium, du thorium et de leurs descendants, conduit à une exposition externe dont les gamma sont la source principale. L'intensité du rayonnement s'échappant des roches est mesurée à un mètre du sol. On évalue ensuite en fonction de l'énergie et la nature des rayonnements, la dose efficace résultant d'une exposition sur un an. Le résultat est généralement exprimé en milligray (ou mGy) par an. La moyenne mondiale est estimée à 0,4 mGy par an.

En France, l'intensité est de 0,7 mGy par an en moyenne, mais peut atteindre 2,5 mGy par an dans les régions granitiques comme certains coins de Bretagne, où le granit est riche en éléments radioactifs. Ces chiffres restent très en dessous des niveaux de rayonnement observés sur certaines plages de sable noir, au Brésil, ou dans le sud de l'Inde, qui dépassent 50 mGy par an en raison de leur richesse en monazite, un minéral contenant près de 10% de thorium radioactif.

Au rayonnement tellurique s'ajoute la contribution du radon et de sa descendance radioactive. Le radon constitue la principale source naturelle d'exposition à la radioactivité : environ 1 millisievert par an en moyenne en France. Le radon est produit lors de la désintégration du radium. Comme il est gazeux, il s'échappe des roches et se disperse dans l'atmosphère. Gaz noble, il ne peut se fixer dans l'organisme. Par contre, ses descendants radioactifs le peuvent. L'exposition au radon varie également beaucoup d'un endroit à l'autre. Les réglementations actuelles visent à s'en protéger, essentiellement par une bonne ventilation.

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