Les processus de fixation de gaz carbonique (CO2) et de consommation d'eau (H2O) par les arbres aboutissent à la fixation de carbone C et d'oxygène O dans le bois. Chacun de ces deux éléments existe sous deux formes non-radioactives : 12C + 13C dans le gaz carbonique, et 16O + 18O dans l’eau.

La matière organique qui compose le bois n'a pas la même proportion de 12C et 13C que l'atmosphère, ni la même proportion de 16O et 18O que l'eau du sol. En effet, diverses étapes physiologiques modifient ces proportions en discriminant l'isotope lourd et favorisant l'isotope léger.

Ainsi, la composition isotopique des cernes enregistre le résultat du fonctionnement de l'arbre et de ses variations. La composition isotopique est notée δ18O et δ13C, respectivement pour l'oxygène et le carbone, et exprimée en ‰ relativement à un standard international. Les valeurs sont toujours négatives et d'autant plus que les processus sont responsables d'une plus forte discrimination isotopique.

Pour le carbone, la photosynthèse comporte plusieurs étapes qui diminuent la proportion de 13C, auxquelles s'ajoutent les discriminations lors de l'allocation des sucres qui donneront finalement le bois.

Pour l'oxygène, le δ18O de la cellulose des cernes dépend du δ18O de l'eau des cellules lors de la biosynthèse, qui résulte de (1) la composition de l'eau du sol, (2) de l'enrichissement isotopique de l'eau des feuilles lors de la transpiration, et (3) de la redistribution de l'eau dans la plante par la sève élaborée.