Dünya’nın fiziksel materyalinin incelenmesi, en azından Theophrastus’un (MÖ 372-287) “Peri Lithon” (Taşlar Üzerine) çalışmasını yazdığı antik Yunanistan’a kadar uzanmaktadır. Roma döneminde Pliny the Elder, birçok mineral ve metalin ayrıntılarını, hatta kehribarın kökenini doğru bir şekilde not ederek yazmıştır.
Fielding H. Garrison gibi bazı modern bilim adamları, jeoloji biliminin kökeninin Müslüman fetihlerinin sona ermesinden sonra İran’a kadar uzanabileceği görüşündedir. Biruni (MS 973-1048), Hindistan’ın jeolojisi üzerine en eski yazıları içeren ve Hindistan alt kıtasının bir zamanlar deniz olduğu varsayımını yapan en eski Pers jeologlarından biriydi. İranlı bilim adamı İbn-i Sina (Avicenna, 981-1037), Müslüman fetihleri tarafından tahrip edilmeyen Yunan ve Hint bilimsel literatüründen yararlanarak, dağların oluşumu, depremlerin kökeni ve modern jeolojinin merkezindeki diğer konular hakkında ayrıntılı açıklamalar önermiştir. Bu, jeoloji biliminin daha sonraki gelişimi için önemli bir temel sağlamıştır. Çin’de, bilge Shen Kuo (1031-1095) arazi oluşumu süreci için bir hipotez üretti. Hipotezinde, okyanustan yüzlerce mil uzakta bir dağın jeolojik bir tabakasındaki fosil hayvan kabukları gözlemine dayanarak, toprağın dağların aşınması ve alüvyonun birikmesiyle oluştuğunu ileri sürmüştür.
Nicolas Steno (1638-1686), üst üste binme yasasını ileri sürmüştür. (orijinal yataylık ilkesi ve yanal süreklilik ilkesi ile tanınır)
Jeoloji kelimesi ise ilk olarak 1603’te Ulisse Aldrovandi tarafından, daha sonra 1778’de Jean-André Deluc tarafından kullanıldı. 1779’da Horace-Bénédict de Saussure tarafından sabit bir terim olarak tanıtılmıştır. Kelime, “toprak” anlamına gelen Yunanca γῆ, gê ve “konuşma” anlamına gelen λόγος’dan türetilmiştir. Ancak başka bir kaynağa göre, “jeoloji” kelimesi bir rahip ve bilgin olan Norveçli Mikkel Pedersøn Escholt’tan (1600-1699) gelmektedir. Escholt tanımı ilk olarak Geologia Norvegica (1657) adlı kitabında kullanmıştır.
William Smith (1769-1839) ilk jeolojik haritalardan bazılarını çizmiş ve kayaçların içerdikleri fosilleri inceleyerek kaya katmanlarını sıralama sürecini başlatmıştır.
James Hutton (1726-1797) genellikle ilk modern jeolog olarak görülmektedir. 1785’te “Theory of the Earth” başlıklı bir makaleyi Edinburgh Kraliyet Cemiyeti’ne sunmuştur. Makalesinde teorisini, dağların aşınması ve tortulların denizin dibinde yeni kayalar oluşturması için yeterli zamana izin vermesi için daha önce tahmin edilenden çok daha eski olması gerektiğini ve bunun da kuru toprağı oluşturduğunu savunmuştur. Hutton, fikirlerinin iki ciltlik bir versiyonunu 1795’te yayınlamıştır.
Hutton’un takipçileri, tüm kayaların su seviyesi zamanla yavaş yavaş düşen büyük bir okyanustan çöktüğüne inanan Abraham Werner liderliğindeki Neptünistlerin aksine, volkanlardan lav birikmesi olan volkanizma tarafından bazı kayaların oluştuğuna inandıkları için Plutonistler olarak biliniyordu.
ABD’nin ilk jeolojik haritası 1809’da William Maclure tarafından hazırlanmıştır. 1807’de Maclure, Amerika Birleşik Devletleri’nde jeolojik bir araştırma yapmak için kendi kendine empoze edilen bir göreve başladı. Birlikteki hemen hemen her eyalet onun tarafından geçildi ve haritası çizildi, Allegheny Dağları yaklaşık 50 kez geçildi ve yeniden geçti. Yardımsız çalışmalarının sonuçları, bir Jeolojik Haritanın açıklayıcı Amerika Birleşik Devletleri Jeolojisi Üzerine Gözlemler başlıklı bir anı ile Amerikan Felsefe Derneği’ne sunuldu ve ülkenin ilk jeoloji haritasıyla birlikte Society’s İşlemlerinde yayınlandı. Bu, William Smith’in İngiltere jeolojik haritasını altı yıl öncesine dayandırır, ancak farklı bir kaya sınıflandırması kullanılarak inşa edilmiştir.
Sir Charles Lyell (1797-1875) ilk olarak 1830’da ünlü kitabı Principles of Geology’yi yayınladı. Charles Darwin’in düşüncesini etkileyen bu kitap, tekdüzelik doktrinini başarıyla destekledi. Bu teori, yavaş jeolojik süreçlerin Dünya tarihi boyunca gerçekleştiğini ve bugün hala devam ettiğini belirtir. Buna karşılık, Dünya’nın özelliklerinin tek felaket olaylarında oluştuğu ve daha sonra değişmeden kaldığı teorisidir. Hutton, tekdüzelikçiliğe inansa da, fikir o zamanlar geniş çapta kabul görmedi.
19. yüzyıl jeolojisinin çoğu, Dünya’nın tam yaşı sorusu etrafında dönüyordu. Tahminler birkaç yüz bin ile milyarlarca yıl arasında değişiyordu. 20. yüzyılın başlarında radyometrik tarihleme, Dünya’nın yaşının iki milyar yıl olarak tahmin edilmesine izin verdi. Bu muazzam zamanın farkındalığı, gezegeni şekillendiren süreçler hakkında yeni teorilerin kapısını açmış oldu.
20. yüzyıl jeolojisindeki en önemli gelişmelerden bazıları, 1960’larda plaka tektoniği teorisinin gelişimi ve gezegenin yaşına ilişkin tahminlerin iyileştirilmesi olmuştur. Levha tektoniği teorisi iki ayrı jeolojik gözlemden ortaya çıkmıştır; deniz tabanı yayılması ve kıtaların sürüklenmesi. Teori yer bilimlerinde devrim yarattı. Bugün Dünya’nın yaklaşık 4,5 milyar yaşında olduğu biliyoruz.