L'intérieur de la Terre, sa structure, dont la connaissance vont de pair avec celle de son passé, a également été l'objet ancien de spéculations nombreuses. L'Antiquité a commencé à s'interroger sur l'origine des fossiles marins, dont la présence à l'intérieur des terres, loin de la mer, et parfois en haut des montagnes, posait une énigme, qui travaillera encore le Moyen âge, qui croit, comme la Renaissance, trouver une réponse dans la Bible, qui parle d'un Déluge.  Il faudra encore composer longtemps avec la lecture littérale de la Bible, qui restera jusqu'à la fin du XIX^e siècle le principal obstacle aux avancées de la géologie (et de la biologie!). Il a ainsi fallu d'abord admettre (en contradiction avec celle, inférieure à dix mille ans, que donnaient les Écritures) d'inscrire le passé de notre planète dans une chronologie longue (plusieurs millions d'années, puis plus tard, plusieurs milliards) . Il a fallu aussi vaincre un second obstacle, contre lequel, cette fois on ne eut rien : l'impossibilité d'accéder aux régions profondes de la Terre (et aussi à son passé le plus lointain). On a dû se contenter de déchiffrer les indices laissés à la surface ou près de celle-ci (fossiles, montagnes, volcans, sources, tracé des côtes, superposition des couches de terrains, etc.).

Deux grandes théories se sont ainsi affrontées à partir de la fin du XVIII^e siècle. Celle de Werner (Neptunisme, 1792) qui imaginait que l'intérieur de la Terre était fait d'eau, et que l'eau était aussi l'agent des transformations géologiques, et celle de Hutton (Plutonisme, 1795), qui attribuait ce même rôle au feu niché dans les régions profondes de notre planète. Après bien des discussions, dans laquelle intervenaient également des arguments d'ordre cosmogonique, après aussi une longue période de stagnation, un nouvelle image s'est imposée, qui a fait table rase de la plupart des conceptions anciennes. Son point de départ remonte à Alfred Wegener, qui en 1912, avait proposé sa théorie de la dérive des continents. Une théorie, finalement, acceptée, sous une forme d'ailleurs nouvelle, appelée la théorie de la tectonique des plaques, seulement à partir de la fin des années 1960.

Bien que la géologie ne se soit pas véritablement constituée comme science avant le début du XIX^e siècle, les préoccupations que seront jusque là les siennes (origine des fossiles, formation des montagnes, distribution des terres et des mers) peuvent déjà se rencontrer dans les ouvrages de plusieurs philosophes et poètes de l'Antiquité (Aristote, Ovide, Pline, etc.). On peut y lire des notions parfois assez exactes sur les problèmes géologiques - souvent un peu moins, mais en tout cas appelées à perdurer même jusqu'au XX^e siècle.

Et l'on retrouvera ces mêmes problématiques développées au Moyen âge, aussi bien dans le monde arabe (Al-Fergani, Avicenne) que dans l'Europe latine (Albert le Grand, Dante, Buridan, etc.). Des solutions nouvelles seront envisagées, comme le rôle de l'érosion, mais au total peu de progrès concrets seront accomplis. A la Renaissance, le rattachement des fossiles à l'épisode du Déluge, dont il est question dans la Bible est très en vogue, mais aussi très contesté. Léonard de Vinci, Bernard Palissy et d'autres commencent a leur envisager des causes naturelles. Les besoins de l'industrie naissante, qui requièrent une exploitation accrue favorisent les études minéralogiques, dont les bases sont jetées par Agricola.

Le XVII^e siècle

Les questionnements traditionnels continuent d'avoir leurs propres développements au XVII^e siècle. On continue par exemple à s'intéresser à l'origine des fossiles, et Sténon comprend qu'ils sont les restes d'anciens êtres vivants. Mais ce qui change véritablement à cette époque, c'est la façon d'aborder désormais comme un tout l'histoire et la structure de la Terre. Tant que celle-ci était placée au centre du cosmos, la question de son origine n'était pas posée, car elle était liée indissociablement  celle de l'origine du cosmos tout entier, ce qui ne pouvait relever que de la seule théologie. A partir du moment où l'héliocentrisme a gagné du terrain, la place de la Terre a cessé d'être une évidence, pour devenir l'objet d'un questionnement. Que faisait-elle donc à cet endroit apparemment anodin du cosmos? Si elle était une planète comme une autre, la réponse devait impliquer le Système solaire tout entier. De là les théories de la Terre qui commencent à être élaborées. Il s'agissait pour elles de rendre compte de l'existence de la Terre et de ses caractéristiques globales à partir de la même série de processus qui devait avoir donné naissance au reste des astres gravitant autour du Soleil. Les théories de la Terre étaient le couronnement d'une cosmogonie. On trouve ici les noms de Descartes, Burnet, Woodward, Whiston, Leibniz, etc..

Le XVIII^e siècle

Si le XVIII^e siècle ne parvient pas encore à récolter les fruits des approches inaugurées au siècle précédent, la réflexion géologique va développer dans toutes les directions. La nature des fossiles reste à l'ordre du jour. On s'interroge aussi sur l'origine de la chaleur de la Terre : vient-elle de ses profondeurs ou est-ce seulement le Soleil qui en est la cause? On s'essaie à expliquer les tremblements de Terre. 
C'est à cette époque encore que sont dressées les premières cartes géologiques : Jean Guettard (1746),  William Smith (1799). On perfectionne aussi les théories de la Terre élaborées au siècle précédent. C'est la tâche à laquelle s'attellent par exemple Benoît de Maillet et surtout Buffon. Enfin, c'est au XVIII^e siècle que naît le grand affrontement entre deux grands courants de pensée : les Neptuniens et les Vulcaniens (ou Plutoniens). Les premiers, rangés derrière Werner, donne à l'eau un rôle primordial dans les transformations qu'a subies le globe au cours de son histoire, les seconds, adoptant les idées de Hutton, préfèrent donner cette place au feu que l'on subodore dans les régions centrales de la Terre, et aux phénomènes volcaniques.

Les XIX^e et XX^e siècles

 Le XIX^e siècle est enfin celui où les efforts des siècles précédents portent enfin leurs fruits. Autour de noms tels que Elie de Beaumont, Lyell, Alcide d'Orbigny, Agassiz, Suess, Lapparent, etc., une nouvelle géologie voit le jour. Le plus grand accomplissement de cette période sera ainsi  la mise sur pied d'une échelle stratigraphique, qui a peu changé depuis. Les fond marins commencent également à être étudiés (Expédition du Challenger). Reste qu'une grande partie de l'édifice que l'on croit en cours d'achèvement, sa logique profonde, va être remise en question au XX^e siècle. Alors qu'au cours de cette période, la géologie de terrain se perfectionne, d'autant plus que la place immense prise par l'exploitation des ressources pétrolières en appelle le développement, le grand changement va venir dans les années 1960, d'une part de la découverte (à la suite d'idées initiées vers 1912 par Alfred Wegener) de l'existence de plaques lithosphériques en mouvement (théorie de la tectonique des plaques), et qui sont responsables des grands phénomènes géologiques qui affectent notre planète, et d'autre part du démarrage de l'exploration spatiale, qui installe l'étude de la Terre dans un contexte où interviennent désormais les études des autres corps du Système solaire.