העניין המתגבר בטבעו ובמקורו של כדור הארץ עורר עניין במינרלים ובמרכיבים אחרים של קרום כדור הארץ. יותר מזה, התגברות החשיבות הכלכלית של כרייה באירופה החל מאמצע המאה ה-18 וניצניה של המהפכה התעשייתית הפכה את הידע המדויק על עפרות ותפוצתן לחיונית ביותר. מלומדים החלו ללמוד את הרכב כדור הארץ באופן שיטתי, תוך השוואה מפורטת ותיאור לא רק של האדמה אלא גם על מציאותן של מתכות יקרות למחצה שחשיבותן הלכה ועלתה. ככל שניתן היה למצוא ביעילות רבה יותר אדמת מכרות פורייה ולזהות עפרות המכילות מתכות, ניתן היה להפיק מכך רווח גדול יותר. דחף זה להצלחה כלכלית הזין את הגאולוגיה והציב אותה במרכז ההתעניינות, והפך אותה לנושא נחשק. עם גדילת מספר האנשים שבחרו ללמוד אותה, התרבו התצפיות והתווסף ידע רב יותר על כדור הארץ.
צורך כלכלי זה הביא את אברהם גוטלוב ורנר לפרסם בשנת 1774 את הספר "על טבעם החיצוני של מינרלים", אשר הביא לו הכרה נרחבת מאחר שהציג פירוט שיטתי לזיהוי מינרלים הנשען על תכונותיהם החיצוניות. ורנר גם הציע תאוריה לפיה היה כדור הארץ בתחילתו מכוסה מים וכך נוצרו שכבות הסלעים שאנחנו מכירים היום. התאוריה נקראה נפטוניזם על שמו של נפטון, אל הים במיתולוגיה הרומית. התאוריה ניסתה ליישב בין הראיות הגאולוגיות לסיפור התנ"כי. תומכי ורנר נטו להיות "קטסטרופיסטים" – שהגנו על התפיסה לפיה שינויים גאולוגיים התרחשו באירועים קטסטרופיים בממדים עצומים כמו המבול, ולא בהשתנות איטית לאורך מיליוני שנים.
חוקר הטבע הסקוטי ג'יימס האטון יצא בשנת 1785 נגד הנפטוניזם של ורנר עם תאוריה משלו שכונתה פלוטוניזם על שם פלוטו – אל השאול במיתולוגיה הרומית. הוא הציג אותה במאמר "תאוריה של הארץ" (Theory of the Earth), אותו הגיש ל"אגודה המלכותית של אדינבורו" בשנת 1788. ההנחה שנמצאה ביסוד השקפתו כי התהליכים המעצבים את פני כדור הארץ הם איטיים ואחידים (אוניפורמיים) הובילה אותו לנסח את עקרון האחידות. לפי האטון, הרים נוצרו באיטיות על ידי התכה איטית של חומר במעמקי האדמה כתוצאה מהלחץ העצום של מי הים, נשחקו והורבדו כסלעי משקע במעמקי הים וסלעים אלה התרוממו והפכו לאדמה יבשה, שנסחפת לים וחוזר חלילה (תאוריה זו, כמובן, אינה מקובלת היום). תהליך זה, לדבריו, נמשך כל העת ואורך זמן רב ביותר. לכן, כך האמין, כדור הארץ הוא עתיק מאוד, "בלי סימן של ראשית ובלי סימן של אחרית", כלשונו, ובוודאי שאינו בן 6,000 שנה כפי שטוען התנ"ך. תאוריה זו תאמה את השקפתו הדתית הדאיסיטית, לפיה העולם הוא מכונה מושלמת שנוצרה על ידי האל. ההשקפה הדאיסטית הייתה פופולרית בתקופתו ושימשה אלטרנטיבה לפירוש מילולי של כתבי הקודש.
בהכללה, אם כן, בסוף המאה ה-18 ובתחילת המאה ה-19 היו שתי תפיסות מנוגדות. אחת, המזוהה עם ורנר ואחרים, האמינה שכדור הארץ צעיר, בקטסטרופות, ובמים כמחוללי השינוי העיקרי. תפיסה זו נטתה לפירוש מילולי של התנ"ך. התפיסה השנייה, המזוהה עם האטון ואחרים, האמינה שכדור הארץ עתיק, בשינוי איטי ואחיד, ובחום ובלחץ כמחוללי השינוי העיקריים. תפיסה זו עלתה בקנה אחד עם השקפה דתית דאיסטית.
בוויכוח בין שתי הגישות הייתה ידם של ה"פלוטוניסטים", חסידיו של האטון, על העליונה. הם האמינו כי סלעים נוצרים בתהליכים געשיים מהשקעה של לבה הפורצת מהרי געש, והצליחו להסביר הימצאותם של סלעים מותכים כגון בזלת טוב יותר מה"נפטוניסטים" - חסידיו של ורנר - שהתקשו להסביר כיצד היו יכולים להיווצר סלעים כאלה בכח המים והרוח בלבד. עבודתם של האטון ערערה על התאוריות המקובלות אז על גילו הצעיר של הארץ. ערעור זה סימן נקודת מפנה במחקר כדור הארץ.
חיזוק נוסף נגד הקטסטרופיסטים היה הספר "עקרונות הגאולוגיה" (Principles of Geology) שפרסם הגאולוג הסקוטי צ'ארלס לייל ב-1830 וזכה להצלחה. בספר זה הציג לייל הוכחות משכנעות מרחבי אירופה לתאוריות של האטון, ואת עקרון האחידות סיכם לייל בביטוי: "ההווה הוא המפתח לעבר".
המאה ה-19.
מניעים כלכליים ביישום מידע גאולוגי הביאו ממשלות לתמוך במחקר הגאולוגי. במהלך המאה ה-19 מימנו ממשלות רבות סקרים גאולוגיים אשר סיפקו מפות גאולוגיות של אזורים נרחבים וסיפקו מידע על מיקומם של מינרלים שימושיים – מידע בעל חשיבות לתעשיית המכרות של אותן מדינות. מחקר גאולוגי במימון ממשלתי איפשר לרבים ללמוד גאולוגיה, להיעזר בטכנולוגיה ובטכניקות מתקדמות ולהרחיב את המחקר הגאולוגי.
בתחילת המאה ה-19 הורכב הטור הסטרטיגרפי המתאר את סדר שכבות הסלעים בכדור הארץ ואשר נשען על מידע שסיפקו הנפטוניסטים והפלוטוניסטים של המאה ה-18. להרכבת הטור תרמו הביולוג ז'ורז' קיווייה והמינרלוג אלכסנדר ברוניאר, שניהם מצרפת, שפרסמו בשנת 1811 את "תיאור הגאולוגיה של סביבות פאריז" (Description Geologiques des Environs de Paris), והמודד האנגלי ויליאם סמית. עבודתם של השלושה הולידה את הסטרטיגרפיה, מיפוי שכבות הסלע בכדור הארץ.
סמית עצמו אחראי למהפכה גאולוגית חשובה – קביעת גילן של שכבות סלע ויצירת היסוד לבניית לוח הזמנים הגאולוגי. כאספן מאובנים מושבע הוא הבחין בשיטתיות בהימצאותם במקומות שונים, ומצא קשר בין שכבות סלע שונות למאובנים שמצא בהן. סמית ערך חתך דרך שכבות סלע וגילה בהן סדר הופעה זהה של מאובנים, באמצעותם קבע גיל יחסי לשכבות הסלע. על פי גודלם וסוגם של המאובנים, הגדיר סמית 3 עידנים גאולוגיים חשובים:
ב-1815 פרסם סמית מפה של אנגליה ובה סימן את השכבות לפי המאובנים שבהן וב-1816 את "זיהוי שכבות סלע בעזרת מאובנים של בעלי חיים" (Strata Identified by Organized Fossils).
אבולוציה.
"עקרונות הגאולוגיה" של לייל היה בן-לוויה במסעותיו של חוקר הטבע והגאולוג צ'ארלס דרווין. דרווין עצמו ערך תצפיות שקיבלו אישור מ"עקרון האחידות". בשנת 1858, הציעו צ'ארלס דרווין ואלפרד ראסל וולאס את תורת האבולוציה המונעת במנגנון הברירה הטבעית לחברה הלינאית של לונדון, אשר בעקבותיה פרסם דרווין את ספריו מוצא המינים (The Origin of Species, 1859) ומוצא האדם (The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex, 1871). הוא הניח כי האדם אינו נזר הבריאה אלא חוליה אחת ברצף התפתחות של עולם החי והצומח, המתרחשת מתוך ברירה טבעית בעולם שאינו קבוע אלא משתנה בהתמדה במשך מיליוני שנים.
מוצא המינים היווה חוליה מאוחרת בשרשרת של רעיונות אבולוציוניים שונים שבוטאו על ידי מלומדים רבים בתקופות שונות. הפילוסוף היווני אנכסימנדרוס ביטא רעיונות דומים כבר במאה ה-6 לפנה"ס. מאוחר יותר ביטאו רעיונות כאלה גם הפילוסוף הסיני ז'ואנגזי בן המאה ה-4 לפני הספירה, הפילוסוף היווני אמפדוקלס, הפילוסוף הרומאי לוקרטיוס, הביולוג הערבי אל חזיז בן המאה ה-8, הפילוסוף הפרסי אבן מיסקווית בן המאה ה-10 ומלומדים רבים נוספים.
עם התרחבות הידע בביולוגיה במאות ה-18 וה-19 הופיע מגוון רחב של רעיונות דומים. אחד מן הבולטים בהם היו הלאמארקיזם – תאוריה אבולוציונית שפיתח ז'אן-בטיסט דה לאמארק, שגרסה כי ניסיון החיים של ההורה גורם לשוני בתכונות צאצאיו.
קדם ללאמארק סבו של צ'ארלס דרווין, ארסמוס דרווין, רופא, פילוסוף של הטבע וממציא חשוב, שעסק ברעיון האבולוציה משנת 1770. בספר משנת 1791 "הגנים הבוטניים" (Botanic Gardens) כתב על החיים שנוצרו בים והתפתחו בהדרגה. ספרו המוכר והחשוב ביותר של ארסמוס דרווין נקרא "זונומיה, חוקי החיים האורגניים" (Zoonomia, the Laws of Organic Life) והוא יצא לאור בשני כרכים (ב-1792 וב-1796) העוסקים במחקר רפואי שערך. ארסמוס טען כי מיליוני שנים לפני שנוצר המין האנושי נוצרו כל בעלי החיים מיצור חד-תאי שממנו התפתחו איברים נוספים. במקום אחר כתב כי כל הצמחייה ובעלי החיים הקיימים היום נוצרו באופן ספונטני מצורות חיים מיקרוסקופיות שחיו באוקיינוס.
כשהיה בן 18 קרא צ'ארלס דרווין את "זוּנומיה", ואף שניסה להתכחש לספרו של סבו כאשר ספג ביקורות קשות על דעותיו, למרבית כתביו של צ'ארלס דרווין יש מקבילות בכתביו של הסב ארסמוס.
צ'ארלס דרווין – שהיה ביסודו גאולוג – נטל עמו פטיש גאולוגי במסעותיו והסביר בצורה סבירה תופעות של התהוות הרים, רעידות אדמה ושוניות אלמוגים. התאוריה שלו על אבולוציה של מינים על ידי מנגנון הברירה הטבעית נמצאת ביסודם של לוח הזמנים הגאולוגי והפלאונטולוגיה.
המאה ה-20.
במאה ה-19 אמד עולם המדע את גילו של כדור הארץ במושגים של מיליוני שנים ובתחילת המאה ה-20 הוערך בכ-2 מיליארד שנה, תוך שימוש בכלים רדיולוגים. תיארוך רדיומטרי קבע את גילם של מינרלים וסלעים – מידע הנחוץ לקביעת גיל הארץ, ובמחצית השנייה של המאה ה-20 הצטברו ראיות גאופיזיות רבות שהעמידו את אומדן גיל כדור הארץ על 4.6 מיליארד שנה. גילוי זה, הנשען על מידע מדעי אמין, הביא לדיוק בבניית לוח זמנים גאולוגי ולניפוי תאוריות שלא עלו בקנה אחד עם ראיות מדעיות.
בידיעת סדר השכבות הנכון טמונה תועלת כלכלית. אחד הראשונים שגילה זאת היה האנס מרנסקי, גאולוג דרום אפריקאי. למרנסקי – שעסק בגילוי מחצבים – נודע על מחשוף המכיל פלטינה בריכוז בעל ערך כלכלי. הוא חישב מחשופים ידועים של אותה יחידה סטרטיגרפית, בחר את הרחוק בהם – 40 ק"מ מן הראשונה – וגילה גם בו בצר פלטינה. כך חישב את השכבה כולה, אשר במשך עשורים רבים שימשה מכרה עצום ממדים לעפרות פלטינה.