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Wie die Lumineszenz-Datierung so basiert auch das Verfahren der Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) auf einer durch die radioaktive Strahlung hervorgerufenen Ansammlung von Elektronen in den Defekten eines Kristallgitters. Im Gegensatz zu den Lumineszenzmethoden detektiert die ESR dabei lediglich die Fehlstellen mit einem ungepaarten Elektron - also die Radikale. Sie besitzen paramagnetische Eigenschaften.
Der Magnetisierungszustand, der beispielsweise in Quarzen, Muscheln und im Zahnschmelz auftritt, wird durch Einstrahlung von Mikrowellen vermessen. Dabei wird nun im Gegensatz zu den Lumineszenzmethoden die durch die radioaktive Einstrahlung hervorgerufene elektronische Zustandsänderung nicht rückgängig gemacht, sondern nur leicht geändert, sodass sich die Probe mehrmals vermessen lässt. Um für eine Datierung ein ausreichend starkes ESR-Signal zu erhalten, muss das archäologische Fundstück mindestens 10 000 Jahre alt sein. Die Obergrenze liegt bei einigen Millionen Jahren, wobei die Altersangabe einen Fehler von bis zu 30 Prozent aufweisen kann. Auch im Fall der ESR-Datierung muss die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung vermessen werden, welche die Veränderung im Kristall hervorgerufen hat.
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