גם התנ"ך מכיל התייחסויות רבות לאירועים שניתן לפרש כתופעות גאולוגיות, כמו למשל המטרת גפרית ואש על סדום ועמורה () או הפסוק: – שניתן לפרש כרעידת אדמה. גם סיפורי מקרא אחרים קיבלו פרשנות גאולוגית, כמו למשל קריעת ים סוף בספר שמות, בקיעת הר הזיתים () ורבים אחרים.
הגאולוגיה בעולם העתיק.
היסודות המדעיים של הגאולוגיה טמונים ביוון העתיקה, ושם גם נמצאו החל מהמאה השישית לפנה"ס העדויות הראשונות לניסיון מעמיק למצוא ולתעד הסברים על תופעות הטבע הנצפות הקשורות בכדור הארץ: פיתגורס ראה אניות מתקרבות והבחין כי את תורניהן ניתן לראות לפני הגוף, ומכך הסיק כי כדור הארץ כדורי – זאת בתקופה בה האמינו כי הארץ שטוחה. קסנופנס תיעד מאובנים שמצא בהרים וכמוהו גם הפילוסוף הנודע הרודוטוס, ואמפדוקלס השאיר תיאור מפורט ראשון של התפרצות הר הגעש אטנה. אחת השאלות העיקריות שהעסיקו את הפילוסופיה בזמנו של אמפדוקלס הייתה "ממה מורכב העולם?", ותשובתו הייתה כי כל המצוי בעולם מורכב מתערובות של ארבעת היסודות הראשוניים, כפי שהאמינו בתקופתו: אש, אוויר, אדמה ומים. אמפדוקלס טען כי יסודות אלה – שהם כשלעצמם נצחיים ובלתי משתנים – התקיימו מעולם ויתקיימו לנצח, וכי כל השינויים הנראים בעולמנו הם שינויים כמותיים ולא איכותיים.
בהתבססו על ארבעת היסודות של אמפדוקלס פיתח אריסטו מודל שלפיו שולטות בעולם ארבע תכונות: חום וקור, יובש ולחות, שצירופיהן יוצרים את ארבעת היסודות:
ההבדלים בין חומרים הוסברו על ידי שוני ביחסים הכמותיים שבין התכונות. תאוריה זו הסבירה, למשל, כיצד חימום הופך מים לאדים (אוויר) ומשאיר כלי ריק (אדמה). בתאוריה זו מופיעים הניצנים הראשונים למדעי הטבע: חיפוש גורם משותף למספר רב של תופעות והתבססות על תצפיות.
אריסטו גם גרס כי הבנת העולם ניתנת להשגה רק באמצעות חשיבה לוגית המבוססת על מידע שנרכש באמצעות החושים, כל כמה שידע זה עשוי להיות פגום. הוא היה, ככל הנראה, הראשון לבסס תאוריה מדעית על בסיס תצפיות. למשל, לאחר שהבחין בסימנים של סחף והרבדה באדמה, הסיק שכדור הארץ משתנה ובקצב מאוד איטי, כל כך איטי שאינו ניתן להבחנה במהלך חייו של אדם אחד.
בעבודתו "על אבנים" תיאר תאופרסטוס, תלמידו של אריסטו, עפרות ומינרלים רבים ממכרות מקומיים. הוא דן בסוגים שונים של שיש וחומרי בנייה אחרים, למשל אבן גיר, ועשה ניסיון ראשוני לסווג את התכונות השונות של המינרלים, כגון קשיות.
חברי האטומיסטים – לוקיפוס ותלמידו דמוקריטוס – טענו כי כל החומרים מורכבים מגופיפים, חלקי יסוד שאי-אפשר לחלקם – אטומים (ביוונית: אטומוס). לטענתם, כל החומרים מורכבים מצירוף של אטומים שונים ביחסים משתנים, ויוצרים את תכונות החומר: קור, חום, צבע וקשיות.
ארטוסתנס, הספרן המפורסם מאלכסנדריה, הצליח בדיוק מפתיע לחשב את קוטר כדור הארץ על ידי שימוש בצל ובחוקי הגאומטריה.
מאוחר יותר, בתקופת רומא העתיקה, עסק פליניוס הזקן, ביצירתו "תולדות הטבע", בדיון נרחב על מינרלים ומתכות שהיו בשימוש נפוץ. הוא סיווג נכונה את הענבר כשרף מאובן על פי החרקים שנכלאו בו, והניח את היסוד למדע הקריסטלוגרפיה בזהותו את צורות ההתגבשות של היהלום.
ימי הביניים והרנסאנס.
מדענים כהיסטוריון הרפואה פילדינג ה' גאריסון בן סוף המאה ה-19, מחזיקים בדעה שמקורה של הגאולוגיה המודרנית בעולם האסלאם. ב"מבוא להיסטוריה של הרפואה" (An Introduction to the History of Medicine) משנת 1913 כתב גאריסון: "הסרצנים ("פראים") עצמם היו מחוללים לא רק של האלגברה, הכימיה והגאולוגיה, אלא של הרבה שיפורים ושיכלולים לכאורה של הציוויליזציה, כמו תאורת הרחוב, שמשת החלון, זיקוקים, כלי מיתר, פירות מתורבתים, בשמים, תבלינים ועוד".
אבו א-ריחאן אל-בירוני, שהיה אחד מראשוני הגאולוגים המוסלמיים, כתב על הגאולוגיה של הודו: "אבל אם אתה רואה את אדמת הודו במו עיניך ומהרהר על טבעה, אם אתה שוקל את האבנים המעוגלות הנמצאות בארץ בכל עומק שתחפור, אבנים שהן ענקיות ליד ההרים במקום שהנהרות זורמים בפראות; אבנים שהן קטנות במרחק גדול מן ההרים ובמקום שהזרם איטי יותר; אבנים הנראות כתושות לחול במקום שהזרימה מתחילה לדעוך ליד שפכם או ליד הים – אם אתה שוקל את כל אלה אתה יכול בקושי רב שלא לחשוב כי הודו הייתה פעם ים אשר התמלא בהדרגה על ידי סחף הנחלים".
אבן סינא הניב תרומה משמעותית למדעי הטבע בחיבור האנציקלופדי "כיתאב אל שיפאא'" (ספר הריפוי), ובו – במאמר על מינרלוגיה ומטאורולוגיה מופיעים הסברים על היווצרותם של הרים, תרומתם של הרים ביצירת עננים, מקורותיהם של המים ושל רעידות אדמה, היווצרותם של מינרלים ורבגוניות פני הקרקע של כדור הארץ. תפישות אלה כלולות גם ב"תאוריה של הארץ" של ג'יימס האטון. הבריטים – הפילוסוף סטיבן טולמין והסופרת ג'ון גודפילד – העירו בשנת 1965 על תרומתו של אבן סינא: "כבר בשנת 1,000 לספירה הציע אבן סינא היפותזה על מקורם של רכסי הרים, שהעולם הנוצרי החשיב לקיצונית שמונה מאות שנים מאוחר יותר".
אחד מן המדענים המעניינים בסין של ימי הביניים היה שן קואו, מלומד ואיש אשכולות שעסק בתחומי מדע רבים בני זמנו. בתחום הגאולוגיה היה שן קואו אחד מן המדענים הראשונים שניסח תאוריה בגאומורפולוגיה המבוססת על תצפיותיו בהתרוממות משקעים, סחיפת קרקעות, הרבדה של טין ומאובנים ימיים שנמצאו בהרי טאיחאנג, מאות קילומטרים מן האוקיינוס השקט. בנוסף הוא ניסח תאוריה של שינוי אקלים הדרגתי לאחר שצפה בבמבוק מאובן עתיק שנמצא במעבה האדמה ליד העיר ינ'אן במצב שימור טוב בשל תנאי האקלים היבש של מחוז שאאנשי.
לאונרדו דה וינצ'י התעניין בתחומי מדע רבים ועסק לא מעט בגאולוגיה, במבנה הקרקע ובחקר מאובנים, והבחין שהמאובנים הנמצאים בסלע היו פעם יצורים חיים. לתובנה דומה הגיע מעט אחריו גם ניקולאוס סטנו.
גאורגיוס אגריקולה היה רופא גרמני שטיפל בכורים באחד מאזורי המכרות בגרמניה. שמו המקורי היה גאורג באוור ו"אגריקולה" הוא כינוי שניתן לו שפירושו בלטינית: איכר. אגריקולה התעניין בסלעים ובמינרלים, מתוך כוונה למצוא חומרים שיוכלו לשמשו למטרות רפואיות. הוא פרסם ספרים אחדים על סלעים ומינרלים, שאחד מהם שימש מקור מידע עיקרי לחוקרים, לכורים ולמעבדי מתכות במשך כמאתיים שנה. בשל גישתו המדעית נחשב אגריקולה לאבי התורה של חקר המינרלים – המינרלוגיה.
ג'ורג' אוון הוולשי למד טופוגרפיה, ובמהלך לימודיו ערך תצפיות שיטתיות על הגאולוגיה של ויילס ובעיקר על שכבות אבן גיר ופחם. אף שלא יסד תאוריה גאולוגית על היווצרותן של השכבות וכתביו לא התפרסמו עד 1796, הוא זכה למוניטין רב ונחשב לאבי המחקר הגאולוגי הבריטי.
המאה ה-17.
ניקולאוס סטנו מדנמרק תרם רבות לפלאונטולוגיה והניח את היסודות למדעי הסטרטיגרפיה והקריסטלוגרפיה. לזכותו נזקפים ניסוחם של עקרונות יסוד בסטרטיגרפיה כעקרון הסופרפוזיציה ועקרון האופקיות המקורית המפורטים בהמשך. סטנו ניסח עקרון נוסף הידוע בפשטות כ"חוק סטנו", או "חוק הזוויות הקבועות של סטנו": כשהוא מסתמך על מחקר גבישי הקוורץ קבע סטנו שהזוויות בין פאות מקבילות בגבישים מאותו חומר זהות בכל הדגימות של המינרל או החומר. עקרון זה היווה פריצת דרך מהותית והוא מונח בבסיס המחקרים שנעשו אחר כך על מבנה הגביש.
במאה ה-17 הבחינו אנשי דת שבכל תרגומי התנ"ך והברית החדשה רק הפרטים הגאולוגים והגאוגרפים היו זהים בכל הגרסאות. בעקבות כך התעוררה התעניינות כללית בגאולוגיה, שמטרתה הייתה ליצור תאוריה גאולוגית העולה בקנה אחד עם הסיפור התנ"כי, בפרט על המבול. על פי התאוריה, הסטרטות השונות תואמות את המאורעות התנכ"יים. ואכן, התאוריה הרווחת נשענה על ספרו של ויליאם ויסטון "תאוריה חדשה של הארץ" (A New Theory Of The Earth) שהתפרסם ב-1696, ובו ויסטון טוען בזכות התרחשותו של מבול על פי הראיות שמספקות הסטרטות של כדור הארץ.
המאה ה-18.
באמצע המאה ה-18 התבססה הגאולוגיה כענף מדעי. מוזיאון הטבע הלאומי הצרפתי היה הראשון לקבוע משרת הוראה לתחום זה כבר ב-1741. היה זה צעד חשוב לקראת התפתחות הגאולוגיה ובהכרת חשיבות הפצתו הרחבה של הידע.
ב-1749 פרסם חוקר הטבע הצרפתי ז'ורז'-לואי לקלר דה בופון את ספריו "Histoire Naturelle", שבהם תקף בגלוי את "תאוריה חדשה על הארץ" של ויליאם ויסטון, ובעקבות ניסויים שערך טען שכדור הארץ אינו בן 6,000 שנה אלא 75,000 שנה.
לקלר התווה את השם "גאולוגיה" בהקשר למחקר כדור הארץ באותם ימים, אך המונח לא התקבל היטב עד פרסום האנציקלופדיה הגדולה בשנת 1751 בידי דני דידרו. השימוש הראשון במושג "גאולוגיה" בפרסומים מקצועיים נעשה על ידי שני מדענים שווייצריים: הגאולוג והמטאורולוג ז'אן-אנדרה דלוק והוראס-בנדיקט דה סוסיר. שימוש מוקדם במושג "גאולוגיה" נעשה על ידי רישאר אונז'רוויל המוכר גם כ"רישאר דה בירי", על מנת להבדיל בין עקרונות תאולוגיים-רוחניים לעקרונות מדעיים-ארציים.
ב-1755 פרסם הפילוסוף עמנואל קאנט את "היסטוריה אוניברסלית ותאוריה של השמים" (Allgemeine Naturgeschichte und Theories des Himmels) ובו הדעה שהיווצרות כדור הארץ אינה קשורה כלל לדת או לאלוהים.
במרכז צרפת טיילו המינרלוג ז'אן-אטיין גוטאר והגאולוג ניקולא דמארה ותיעדו את תצפיותיהם במפות גאולוגיות. גוטאר תיעד גם את תצפיותיו על היסודות הגעשיים של אזור זה.
עד שנות ה-70 של המאה ה-18 היה כבר חקר כדור הארץ עיסוק נפוץ, והתערערה התפישה שלפיה הסיפור התנ"כי הוא מקור מהימן לצורך מחקר גאולוגי. עם זאת, מדע הגאולוגיה לא נכלל באנציקלופדיה בריטניקה עד למהדורה הרביעית שיצאה לאור בשנת 1809.