Cổ địa từ (Paleomagnetism) là môn nghiên cứu các dấu vết lưu giữ từ trường Trái Đất thời quá khứ trong các đá núi lửa, trầm tích, hoặc các di vật khảo cổ học. "Từ hóa dư" trong một số khoáng vật từ tính của đá chốt trong nó thông tin về hướng và cường độ của từ trường khi khoáng vật hình thành hoặc lắng đọng. Địa vật lý sử dụng những ký ức này để khôi phục thông tin về kiểu dáng của từ trường Trái Đất và các vị trí của các mảng kiến tạo trong quá khứ. Các thay đổi cực từ được bảo quản trong đá núi lửa và đá trầm tích theo trình tự từ tính của địa tầng, cơ sở của "Địa tầng từ tính" (Magnetostratigraphy), cung cấp công cụ cho định tuổi trong địa chất. Nó cung cấp bằng chứng cho thuyết trôi dạt lục địa, và các dị thường từ trên đại dương cho thấy đáy đại dương đang dãn rộng. Cổ địa từ dựa nhiều vào sự phát triển mới trong nghiên cứu từ hóa của đá, do đó đã cung cấp nền tảng cho các ứng dụng mới của từ tính. Chúng bao gồm "từ sinh học" (Biomagnetism), các loại vải từ (magnetic fabrics, sử dụng như các chỉ số căng trong đất đá)... Hiện tượng kim la bàn bị lệch khi đến gần mỏm đá từ hóa mạnh đã được quan sát từ đầu thế kỷ 18. Năm 1797, Alexander von Humboldt cho là từ hóa này do sét đánh (sét đánh làm thường từ hóa bề mặt khối đá). Từ thế kỷ 19 các nghiên cứu về hướng của từ hóa trong các loại đá cho thấy một số dung nham trẻ đã được từ hóa song song với từ trường Trái Đất. Đầu thế kỷ 20, David, và Mercanton thấy nhiều khối đá cổ hơn có từ hóa phản song song với từ trường. Matuyama Motonori sau đó đã chỉ ra rằng từ trường Trái Đất đảo ngược vào giữa kỷ Đệ tứ, 781.000 năm trước, và được gọi là đảo ngược Brunhes-Matuyama (Brunhes–Matuyama reversal). Nhà vật lý người Anh P.M.S. Blackett cung cấp một động lực lớn để cổ địa từ phát triển, khi chế ra "từ kế phiếm định" (astatic magnetometer) rất nhạy vào năm 1956. Mục đích của ông là để kiểm nghiệm giả thuyết rằng từ trường Trái Đất có liên quan đến chuyển động quay của Trái Đất, một thuyết cuối cùng bị từ chối. Nhưng từ kế phiếm định của ông lại trở thành công cụ cơ bản của cổ địa từ và dẫn đến một sự hồi sinh của "thuyết trôi dạt lục địa". Thuyết này được Alfred Wegener đề xuất đầu tiên vào năm 1915, cho rằng các lục địa đã từng được nối lại với nhau và từ đó đã di chuyển ra xa nhau. Mặc dù có dư bằng chứng gián tiếp, lý thuyết của ông ít được chấp nhận vì hai lý do: Keith Runcorn và Edward A. Irving dựng lại được đường "lang thang biểu kiến" của cực từ ở châu Âu và Bắc Mỹ. Những đường cong này tản mác, nhưng có thể được hóa giải nếu giả định rằng các lục địa đã liền nhau vào 200 triệu năm trước. Điều này cung cấp những bằng chứng địa vật lý rõ ràng đầu tiên cho thuyết trôi dạt lục địa. Sau đó, vào năm 1963, Morley, Vine và Matthews xác định rằng dị thường từ ở đại dương cung cấp bằng chứng cho Tách giãn đáy đại dương. Các nghiên cứu "cổ địa từ" dựa trên khả năng của khoáng vật từ tính như magnetit có thể ghi lại từ trường Trái Đất trong quá khứ. Lưu giữ từ trường trong đá có thể được ghi nhận bằng nhiều cơ chế khác nhau, và là phần "Từ hóa dư tự nhiên" (Natural remanent magnetization) trong hiện tượng vật lý "Từ hóa dư". Trong nghiên cứu cổ địa từ, thực hiện lấy mẫu đá có đánh dấu hướng đầy đủ để sau đó đo mẫu xác định phương và cướng độ từ hóa dư của mẫu. Các mẫu ở tầng sâu thì phải dùng khoan với mũi khoan kim cương và làm mát bằng nước, tránh dùng các dụng cụ có từ tính. Khi lấy mẫu xong thì dùng đầu đo để đo hướng từ hóa trong hố khoan. Kết quả được tập hợp trên bản đồ. Nếu vector chỉ phương của các mẫu giống nhau thì chúng có thể cùng tuổi. Nếu khác nhau thì phải so sánh với tài liệu địa chất để phân nhóm. Giải thích tài liệu cổ địa từ có nội dung hàn lâm cao.