人類對地質現象的觀察和描述有著悠久的歷史，但作為壹門學科，地質學成熟的較晚。地質學的研究對象是
龐大的地球及其悠遠的歷史，這決定了這門學科具有特殊的復雜性。它是在不同學派、不同觀點的爭論中形成和發展起來的。 （遠古～公元1450年）
人類對巖石、礦物性質的認識可以追溯到遠古時期。在中國，銅礦的開采在兩千多年前已達到可觀的規模；春秋戰國時期成書的《山海經》《禹貢》《管子》中的某些篇章，古希臘泰奧弗拉斯托斯的《石頭論》都是人類對巖礦知識的最早總結。
在開礦及與地震、火山、洪水等自然災害的鬥爭中，人們逐漸認識到地質作用，並進行思辨、猜測性的解釋。我國古代的《詩經》中就記載了“高岸為谷、深谷為陵”的關於地殼變動的認識；古希臘的亞裏士多德提出，海陸變遷是按壹定的規律在壹定的時期發生的；在中世紀時期，沈括對海陸變遷、古氣候變化、化石的性質等都做出了較為正確的解釋，朱熹也比較科學的揭示了化石的成因。 （公元1450～公元1750年）
以文藝復興為轉機，人們對地球歷史開始有了科學的解釋。意大利的達·芬奇、丹麥的斯泰諾、英國的伍德沃德、胡克等等，都對化石的成因作了論證。胡克還提出用化石來記述地球歷史；斯泰諾提出地層層序律；在巖石學、礦物學方面，李時珍在《本草綱目》中記載了200多種礦物、巖石和化石；德國的阿格裏科拉對礦物、礦脈生成過程和水在成礦過程中的作用的研究，開創了礦物學、礦床學的先河等等。 （公元1750～公元1840年）
在英國工業革命、法國大革命和啟蒙思想的推動和影響下，科學考察和探險旅行在歐洲興起。旅行和探險使得地殼成為直接研究的對象，使得人們對地球的研究從思辨性猜測，轉變為以野外觀察為主。同時，不同觀點、不同學派的爭論十分活躍，關於地層以及巖石成因的水成論和火成論的爭論在18世紀末變得尖銳起來。
德國的維爾納是水成論的代表，他提出花崗巖和玄武巖都是沈積而成的，並對巖層作了系統的劃分。英國的赫頓提出要用自然過程來揭示地球的歷史，以及地質過程“即看不到開始的痕跡，也沒有結束的前景”的均變論思想。水火之爭促進了地質學從宇宙起源論、自然歷史和古老礦物學中分離出來，並逐漸形成了壹門獨立的學科。在中國，出現在17世紀的《徐霞客遊記》也是對自然考察所獲得的超越時代的成果。至1840年，底層劃分的原則和方法已經確立，地質時代和地層系統基本建立起來。
而此時的礦物學沿著形態礦物學和礦物化學方向發展，美國丹納的《礦物學系統》標誌著經典礦物學的成熟；1829年，英國的尼科爾發明了偏光顯微鏡，使得顯微巖石學的迅速發展成為可能；法國博蒙於1829年提出地球冷縮造山的收縮說，對近百年來的構造理論產生重大影響。
這樣，有關地球歷史的古生物學、地層學，有關地殼物質組成的巖石學、礦物學，和有關地殼運動的構造地質理論所組成的地質學體系逐漸形成了。
19世紀上半葉，有關災變論和均變論的爭論，對地質學思想方法產生了歷史性的影響。居維葉是災變論的主要代表，他提出地球歷史上發生過多次災變造成生物滅絕的觀點。英國的萊伊爾是均變論的主要代表，他堅持“自然法則是始終壹致”的觀點，並提出以今論古的現實主義方法。在爭論中，地質均變論逐漸成為百余年來地質學及其研究方法的正統觀點。
（公元1840～公元1910年）
隨著工業化的發展，各工業國家都開展了區域地質調查工作，是地質學從區域地質向全球構造發展，並推動了地質學各分支學科的迅速建立和發展。
其中重要的有瑞士阿加西等人對冰川學的研究，以及英國艾裏、普拉特提出的地殼均衡理論；有關山脈形成的地槽學說，經過美國的霍爾和丹納的努力最終確立起來；法國的貝特朗提出造山旋回概念；奧格對地槽類型的劃分使造山理論更加完善；奧地利的休斯和俄國的卡爾賓斯基則對地臺作了系統的研究；休斯的《地球的面貌》是19世紀地質學研究的總結，同時休斯用綜合分析的方法，從全球的角度研究地殼運動在時間和空間上的關系，預示了20世紀地質學研究新時期的到來。 （公元1889年10月26日－1971年4月29日）
進入20世紀以來，社會和工業的發展，使得石油地質學、水文地質學和工程地質學陸續形成獨立的分支學科。在地質學各基礎學科穩步發展的同時，由於各分支學科的相互滲透，數學、物理、化學等基礎科學與地質學的結合，新技術方法的采用，導致了壹系列邊緣學科的出現。
地震波的研究揭示了固體地球的圈層構造以及洋殼與陸殼結構的區別；高溫高壓巖石實驗研究，為人們認識地殼深處地質過程提供了較為可靠的依據。所有這些都促進了地質學研究從定性到定量的過渡，並向微觀和宏觀兩個方向發展。
20世紀50～60年代，全球範圍大規模的考察和探測，使地質學研究從淺部轉向深部，從大陸轉向海洋，海洋地質學有了迅速發展。同時古地磁學、地熱學、重力測量都有重大進展，為新的全球構造理論的產生提供了科學依據。在這個基礎上，德國的魏格納於1915年提出的與傳統海陸固定論相悖離的大陸漂移說得以復活。
20世紀60年代初，美國的赫斯、迪茨提出的海底擴展理論較好地說明了漂移的機制。加拿大的威爾遜提出轉換斷層，並創用板塊壹詞。60年代中期美國的摩根、法國的勒皮雄等提出板塊構造說，用以說明全球構造運動的基本理論，它標誌著新地球觀的形成，使現代地質學研究進入壹個新階段。