Современная геология во многом опирается на изучение естественных физических полей Земли. Геофизика как наука имеет свою историю, корни которой уходят в историю самой физики. Однако идея изучения геофизических полей для выяснения глубинной структуры Земли и эндогенных процессов, в ней протекающих, начала реализовываться лишь в середине 19 в.
Была создана общая модель оболочечного строения Земли по сейсмическим данным, основы которой (кора-мантия-ядро) были намечены Э. Вихертом еще в 1897 г. Этому способствовало установление А. Мохоровичичем в 1909 г, границы между корой и мантией, которая затем получила его имя; границы мантии и ядра в 1914 г. Б. Гутенбергом; границы внешнего и внутреннего ядра Инге Леманном в 1936 г. В итоге К. Буллен в 1959 г. предложил общую модель строения Земли с буквенными обозначениями отдельных оболочек, получившую известность как модель Буллена. Химический состав этих оболочек был впервые правильно намечен Э. Зюссом в 1909 г.: он назвал ядро Nife - по преобладанию Fe и Ni; промежуточный слой, т.е. мантию, Sima (Si, Mg), а земную кору Sal (Si,Al). Б.Б. Голицыным в 1912 г. было отмечено существование в мантии на глубинах 106-232 км особого пластичного слоя - источника магмы, а в 1914 г. Дж. Баррел предсказал наличие под корой (литосферой) слоя пониженной вязкости, который он назвал астеносферой. Баррел исходил при этом из принципа изостазии, справедливо считая, что изостатическое равновесие может осуществляться лишь при наличии на глубине такого слоя, в котором возможно перетекание вещества. Гипотеза Баррела получила сейсмологическое подтверждение лишь в 50-е гг. (Б. Гутенберг), и с тех пор понятия литосферы и астеносферы прочно укрепились в литературе. По данным сейсмологии было установлено твердое состояние Земли вплоть до границы ядра. В то же время Э. Вихерт допускал присутствие между корой и мантией тонкого пластичного слоя. Существование астеносферы объясняло наличие зоны потенциального источника магмы.
В первой четверти ХХ в. начали развиваться сейсмические методы разведки. В 1915 г. американский геофизик Л. Митроп запатентовал метод первых вступлений и провел успешные исследования соляных куполов и нефтяных месторождений Калифорнии. В 1922 г. русский геофизик B.C. Воюцкий показал, что для разведочных целей можно использовать отраженные волны. Для регионального изучения строения земной коры в начале 50-х гг. Г.А. Гамбурцев разработал метод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ).
В 19 в. стала развиваться и применяться гравиметрия. В середине 19 в. Г. Стокс теоретически обосновал связь аномалий силы тяжести с фигурой Земли, определив тем самым геодезическое направление развития гравиметрии. В итоге развилось учение об изостазии.
Долгие годы велись разработки способов измерения силы тяжести с плавучих станций на акватории, и только в 1923-1924 гг. Ф. Венинг-Мейнес сумел получить первые удовлетворительные результаты морских измерений. Оказалось, что к глубоководным желобам приурочены исключительно резкие отрицательные аномалии силы тяжести, что в дальнейшем было широко использовано в геотектонике. В России зарождение морской и воздушной гравиметрии связано с именем Сорокина, который обнаружил резкое изменение силы тяжести вблизи южного берега Крыма.
В начале 20 в. французский физик К. Шлюмберже предложил применять для геолого-разведочных целей искусственные электрические сигналы постоянного тока. Были разработаны методы изолиний, индукции, сопротивлений, интенсивности. Начались исследования погребенных структур в различных областях Земли. Начало 20 в. — время становления промысловой геофизики. К. Шлюмберже в 1912 г. опробовал электрические методы исследования скважин на нефтяных промыслах Эльзаса (методом электрического каротажа), что послужило началом к развитию электроразведки.
При восстановлении картины геологического прошлого Земли огромную роль играют палеомагнитные исследования, восстанавливающие характер, картину, направленность тех или иных геологических процессов миллионы и миллиарды лет тому назад. Задачи этого направления сводятся к установлению последовательности различных геологических процессов и событий, например процессов тектогенеза, метаморфизма, образования и разрушения залежей полезных ископаемых, трансгрессий и регрессий морей, смены эпох оледенений эпохами межледниковий и т.д. Чтобы понять геологические процессы прошлого, изучается весь комплекс результатов, в том числе и геофизических.
