当物理学和天文学发展得如火如荼时，对地球的研究大多停留在地理学领域。
希腊人（此乃当然）创立了地理学。早在古巴比伦王国时期，人们就开始绘制地图；公元前4世纪时亚历山大大帝入侵希腊，为希腊地图绘制豁然开启了崭新的局面。百年后，亚历山大图书馆管理员厄拉多塞（Eratosthenes）撰写了第一部关于地球地形研究的学术报告，报告题为“地理学”（Geographika，迄今所知最早使用该词的记录），共有三卷，阐述了一种新的、覆盖整个地球的经纬系统。随后不久，希腊天文学家喜帕恰斯通过对月球的观测，设计出了坐标方格，也就是我们所知的纬度和经度，这进一步提高了希腊人创建的地图的准确性。
地球科学从此开始。但是，古希腊的地理学只是简单地观察地球表面的现状，并没有对地球是如何演变至今，或地球为何如此运转做出解释。毕竟，根据亚里士多德学派的哲学，地球的历史无穷无尽，其中时间循环往复，永无休止；但是，希腊人并没有从中意识到研究地球起源的可能性，更不可能意识到了解地球起源对于了解其现状的重要意义了。
化学和物理学的发展使人们更深入地理解地表上所发生的客观进程。但是，只有当关于恒星的科学研究日益成熟之后，地球才成了研究对象。（地球是与众不同的，但当时只被视为众多天体的一个成员；它与其他行星拥有相同的属性，独特之处在于，它是人类的家园。）查尔斯·范·海斯（Charles Van Hise）认为，地质学是天文学的产物。
直到17世纪上半叶，地质学还没有为成为一门新科学做好十足的准备。那时，地质学不过是自然哲学的一个分支，人们仍不知道地质学要研究的问题是什么。首先提出地质学方面问题的不是天文学家和物理学家，而是神学家和哲学家。
1647年，自然哲学家约翰·莱富（John Lightfoot）根据《旧约全书》中的族谱，计算出了地球的年龄。他宣称，地球是在公元前3928年9月被创造出来的。三年后，爱尔兰主教、业余天文学家詹姆斯·乌舍尔（James Ussher）将《圣经》中的族谱与他的天文观测结合起来，推算出地球产生的时间，这个时间要比约翰·莱富的推测更早一些。“最初，上帝创造了天地，”乌舍尔在《世界编年史》（Annals of the World）中写道，“根据我们的年表，时间开始于公元前4004年10月23日的晚上（午夜）降临时。”
这根本就不是科学。尽管如此，与希腊人的传统观点——无限的循环往复——相比，基督教和希伯来人认为地球的生命开始于创始时期的传统观点仍旧是一个进步。承认地球真正拥有纵向的时间和历史意味着地球上的岩石和土壤、群山和山谷都带着过去的痕迹。
在乌舍尔确立了地球年龄的19年后，丹麦牧师圣尼古拉斯·斯丹诺（Nicholas Steno）的第一篇关于地球过去的文章发表了——这是探索地球科学的首次真正尝试。在被授予神职之前，斯丹诺分别在哥本哈根和阿姆斯特丹的大学中学习解剖学。
这篇文章《关于一个固体自然包裹于另一固体问题的初步探讨》（“Preliminary Discourse to a Dissertation on a Solid Body Naturally Contained within a Solid”）探讨了关于化石的疑问：化石是一些岩石组成物，多出现于远离海洋的山体中，形似生物。公元1世纪的罗马哲学家普林尼（Pliny）曾猜测，这些岩石是从天而降的。中世纪哲学家、医师阿维森纳（Avicenna）则认为，它们是由地球上一种“塑造力”神秘地塑造成的，这种塑造力将岩石塑造成了新的形状。罗伯特·胡克通过显微镜观察化石，发现化石是有机体残骸石化后的产物，但他尚无法解释为何化石都是在岩石中层被找到的。
斯丹诺进一步发展了胡克的结论。1666年，斯丹诺仔细地解剖了一只奇怪的鲨鱼的头部。这只鲨鱼是在意大利海岸被捕捉到的，将它送给斯丹诺的是他的一位举足轻重的朋友，斐迪南二世·德·美第奇（Ferdinando II de’Medici）。鲨鱼的牙齿与斯丹诺及17世纪其他几位自然哲学家所熟知的小型齿状化石一致。这种小型化石被称为“蛇石”（glossopetrae），形似蛇的小叉形舌。在欧洲各地都发现了大量蛇石。《初步探讨》一文旨在：首先，证明形如鲨鱼牙齿的蛇石曾是活动物身体的一部分；其次，解释它们是如何被石头包裹起来的。
斯丹诺关于后者的解释因过分阐释、限定、赘余的细节和冗长的语言而费解。但可将其归纳为三个基本原则：
1.斯丹诺的叠覆原理。当小块岩石在水底沉积并被压缩，岩石层就开始形成。因此，底部的岩石层和遗迹比上层的沉积得更早。
2.斯丹诺的原始水平律。岩石层总是水平的。如果某一地层倾斜或垂直，那是因为被后来的因素挤成目前的状态的。
3.斯丹诺的原始侧向连续律。地层是连续的，没有终点的。所以，如果两个邻近的地层含有相同的矿物质、土壤和遗迹，即使二者现在是彼此分离的，但起初它们应该是同一地层，后因地壳活动而被割裂。
这三个定律都指向同一个深刻的、前所未有的观点：地球的岩层，即地层（由岩石和泥土彼此层层累积构成的“厚的覆盖层”），是沉积形成的，经年累月，每过一个时期就会沉积一层。在向下挖掘地层的过程中，自然哲学家就可以进行一次时光穿越。
此前并没有所谓的地质学，斯丹诺使得这一科学的出现成为可能。他已经找到了原材料，以此为对象，自然哲学家们可以实施他们的培根主义哲学的实验方法：原材料就是地层以及其中的化石，它们是观察、分析的对象，并从中得出理论。
同时，原材料令人们开始质疑神学家和哲学家的结论。
斯丹诺本人并不觉得将地球的产生时间确定为公元前4004年有什么问题。他确信化石就是生物沉积在水底的遗留物，但是，诸如贝壳和水生动物的螯（哪怕是石化的）这般脆弱的物体竟然可以存留数千年之久，这令人难以置信。在《初步探讨》一文中，斯丹诺清楚地表露出了自己的担忧：将地球的出现时间设定为公元前4004年可能有点儿太早了。
但是，其他思想家对原材料有不同的看法。艾萨克·牛顿更关注地核，而非化石。他曾推测地球最初可能是一个熔化了的球体。这样的话，就可以通过铁冷却的时间来计算出地球的年龄（始终记住，大球体与小球体的蓄热能力不同，这是因为快速冷却的表面与球体其余的质量之间的比例关系因球体大小而变化）。牛顿断定：
因此，一个与我们的地球等体积的红色、发热的铁球，也就是说，它的直径约有4000万英尺，几乎不可能与地球在相同的时间内冷却下来，它大概需要5万多年……正确的比例已经通过实验得出，我应为此感到高兴。
换句话说，如果地球起初是熔化的，它就不可能只有6000岁了。但对牛顿而言，这不过是一个“虚构的”假说罢了，科学尚无途径去证明该假说。
德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）是牛顿的同事，有时也是牛顿的对手。他提出了一个相似的假设——地球一度像金属一样被熔化，后来逐渐冷却并凝固。这一过程产生了许多巨大的泡泡；其中一些钙化后成为山体，其他的破裂分离形成了山谷。但莱布尼茨也对虚构的假设非常谨慎，他甚至拒绝提出自己对地球年龄的猜想。
地球的年龄是多少，以及该如何理解地层以便了解地球的年龄，这两个问题本来可能因得不到解决而留待人们公开真诚地讨论。但是在1701年，温切斯特主教威廉·劳埃德（William Lloyd）将詹姆斯·乌舍尔所预测的公元前4004的时间点作为旁注印刷在了于1611年出版的、被官方认可的最新版本《圣经》中（这是最为广泛阅读、影响力最大的印刷本英文版《圣经》）。这为乌舍尔的猜想添加了一分神圣的权威感；从此以后，提出地球年龄在6000岁以上就有毁谤否定《圣经》之嫌。
50年后，才有学者敢于提出一个更长的时间。但这个提议是以假想的形式出现的，并且还是秘密的假想。
18世纪20年代，法国自然哲学家贝诺依·德·马雷（Benoît de Maillet）偷偷散播一篇对话性的故事，是印度哲学家特里梅德（Telliamed）和一位法国传教士之间关于地球年龄的对话。依据几个世纪以来的测量，特里梅德认为地中海海平面一直在下降，整个地球曾一度被海洋覆盖，海洋在不停地渗入位于地球中心的漩涡。从水体的下沉速度来看，地球至少有20亿岁了。
但是这一猜想并不一定与《圣经》相抵触。“你太重视（地球的年龄这一问题）因而认为它与宗教有必然联系。”特里梅德对传教士说，“依我看，前者与后者的差异太悬殊了。”他解释说，对地球的研究不能带着信仰的眼镜去进行。对地球的研究必须要客观，正如天文学家研究其他任何现象那样：
让我们不要再以自己的标准去衡量世界历史的长度。让我们仔细地思考宇宙真正展现在我们眼前的这广阔的苍穹，我们可以看见诸多闪亮的、如同地球一般的恒星……让我们来想象一下，自望远镜被发明出来之后，最有可能发生的是什么，借助望远镜我们可以看得很远，如果我们真的处在离地球那样遥远的地方，我们也许会发现在我们头顶上有许多世界，它们离我们依旧那样遥远。
只有当人们承认了地球只是众多天体中的一个，地质学才开始形成。只有当人们不再以人的年岁来衡量万物，地质学的时间框架才最终形成。