Zemes zinātņu pamatā ir planētas struktūras un sastāva izpēte, sākot no cietās garozas, beidzot ar Zemes kodolu. Ģeoloģija pēta iežus, minerālus un arī fosilijas, lai raksturotu Zemes vēsturi, tostarp plātņu tektoniku, kalnu veidošanos un dzīvības attīstību. Ģeofizika izmanto fizikas principus, lai izpētītu Zemes iekšējo struktūru un procesus, piemēram, seismisko aktivitāti un magnētismu, lai skaidrotu dažādus procesus, piemēram, zemestrīces un vulkānu izvirdumus. Klimatoloģija pēta atmosfēru, koncentrējoties uz klimata sistēmām, to fizikāli ģeogrāfiskajiem priekšnoteikumiem un to ietekmi uz vidi un cilvēku darbību. Okeanogrāfija pēta jūras ekosistēmas, straumes un okeāna ķīmisko sastāvu, kas ir būtiski planētas klimata regulēšanā un bioloģiskās daudzveidības uzturēšanā. Zemes zinātnes ietver arī kriosfēras (ledāju un apledojumu) un hidrosfēras (ūdens visās tā formās, tostarp upes, ezeri un gruntsūdeņi) izpēti. Šīs apakšnozares ir svarīgas, lai novērtētu saldūdens resursu pieejamību un globālo klimata pārmaiņu ietekmi uz jūras līmeņa celšanos un ledājiem.

Mūsdienās svarīgs akcents Zemes zinātnēs tiek likts uz agrās brīdināšanas sistēmu pilnveidošanu, precīzākām prognozēm un risku novērtēšanu, it īpaši zemestrīču un vulkānisko aktivitāšu jomā. Pretstatā meteoroloģijai, Zemes dzīļu procesi un dinamika ir mazāk izpētīti, tāpēc ir daudz grūtāk prognozēt zemestrīču izcelšanos, kaut arī riska reģioni ir labi zināmi. Piemēram, postošā 2011. gada Tohoku zemestrīce Japānā tika identificēta tikai neilgi pirms tās, tomēr pietiekami agri, lai evakuētu un izglābtu tūkstošiem cilvēku.

Zemes zinātņu sniegumu sabiedrībai lielā mērā apkopo globālās klimata iniciatīvas, piemēram, Starpvaldību klimata izmaiņu panelis (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), kura lēmumi, piemēram, Parīzes nolīgums (franču Accord de Paris, angļu Paris Agreement), tika balstīti uz Zemes zinātņu sniegto informāciju – klimata datiem un globālajiem klimata pārmaiņu modeļiem.

Mūsdienās Zemes zinātnēs arvien vairāk tiek uzsvērta Zemes sistēmu savstarpējā saistība. Pētot litosfēras, atmosfēras, hidrosfēras un biosfēras mijiedarbību, zinātnieki risina aktuālas problēmas, piemēram, klimata pārmaiņu adaptāciju, dabas katastrofu prognozēšanu un pārvaldību, resursu pārvaldību un vides ilgtspēju.

Kopumā Zemes zinātnes sniedz būtiskas zināšanas, lai izprastu planētas pagātni, tagadni un nākotni, palīdz mazināt dabas katastrofu ietekmi, pielāgoties vides izmaiņām un labāk pārvaldīt Zemes resursus. Šīs jomas atziņas ir vitāli svarīgas, lai risinātu globālus izaicinājumus.

Zemes zinātnēm ir ļoti liela praktiskā nozīme. Daudzās iekļautās apakšnozares nodrošina plašu pielietojamību, lai risinātu daudzveidīgas problēmas un veiktu zinātnisko pētniecību. Galvenās jomas, kurās lielu ieguldījumu sniedz Zemes zinātnes:

• klimata pārmaiņu izpēte un adaptācija – Zemes klimatisko sistēmu, to dinamikas un ietekmējošo faktoru izpēte ir ļoti svarīga, lai plānotu pasākumus klimata adaptācijā;
• resursu pārvaldība – precīza Zemes minerālo, ģeotermālo, ūdens un ogļūdeņražu resursu uzskaite un plānošana ir būtiska, lai  sabiedrība varētu funkcionēt;
• dabas katastrofu pārvaldība – zināšanas par Zemes sistēmām ļauj precīzāk modelēt riskus, lai novērtētu dabas katastrofu izcelšanās vietu, intensitāti un postījumus un plānotu atbilstošus pasākumus;
• dabas aizsardzība – dabas daudzveidības aizsardzība balstās galvenokārt uz ekosistēmu abiotisko pamatni un Zemes sistēmu funkcionēšanu, piemēram, ūdens vai oglekļa (C) cirkulāciju;
• lauksaimniecība un pārtikas drošība – lauksaimnieciskās aktivitātes ir ļoti atkarīgas no Zemes sistēmu – augsnes, klimata un citu – funkcionēšanas, un riski šīm sistēmām (sausums, augsnes erozija un noplicināšana) pastarpināti apdraud sabiedrību;
• pilsētplānošana un infrastruktūras attīstība – šajās jomās ir būtiska aktuāla un uzticama informācija par teritorijas ģeoloģisko uzbūvi, riskiem, kā arī veikto darbību ietekmi uz vidi;
• ūdens resursu apsaimniekošana – ir ļoti svarīga kopumā, bet it īpaši reģionos, kas sezonāli vai pastāvīgi cieš no sausuma. Šeit zināšanas par reģionālo un lokālo klimatu, ūdens apriti un apvidus ģeoloģisko uzbūvi (pazemes ūdeņu struktūru) ir ļoti svarīgas, lai nodrošinātu sabiedrību ar pašu svarīgāko.

Mūsdienās ģeozinātnes tiek sauktas par Zemes zinātnēm (Earth sciences). Zemes zinātnes apvieno saistītas zinātņu apakšnozares – ģeofiziku, ģeoķīmiju, paleontoloģiju, klimatoloģiju, atmosfēras ķīmiju, globālo ekoloģiju, fizikālo ģeogrāfiju, okeanogrāfiju, hidroloģiju un citas.

Zemes zinātņu komponentes daudzos gadījumos ir savstarpēji saistītas, līdz ar to daudzi pētījumi izmanto starpdisciplināras pieejas un daudzveidīgas metodes, lai pētītu funkcionāli saistītas sistēmas, piemēram:

• ģeoloģija un klimatoloģija (ģeoloģiskie procesi, piemēram, vulkānu izvirdumi izmet atmosfērā lielu daudzumu siltumnīcas efekta gāzu);
• hidroloģija un klimatoloģija (kā globālās klimata pārmaiņas ietekmē ūdensteces un ūdens cirkulāciju);
• okeanogrāfija un klimatoloģija (El Niño un La Niña parādības ilustrē mijiedarbību starp atmosfēras un okeāna sistēmām – izmaiņas okeāna ūdens temperatūrās ietekmē atmosfēras spiediena sadalījumu, radot specifiskus laikapstākļus, piemēram, sausumu, vētras un citus);
• ģeoloģija un bioloģija (paleontoloģijas metodes palīdz rekonstruēt dzīvības vēsturi uz Zemes – masu izmiršanas notikumus, sugas, fosiliju vecumu).

Zemes zinātņu jomās ļoti būtiskas ir vairākas zinātniskās teorijas.

• Plātņu tektonika jeb kontinentu dreifa teorija skaidro Zemes garozas kustības un ar tām saistītās parādības (zemestrīces, vulkānismu), pamatojoties uz konceptuālo modeli, kurā Zemes cietās garozas plātnes pārvietojas magmas virspusē, saduroties cita ar citu.
• Iežu cikls – ģeoloģiskie nogulumi laika gaitā veidojas, transformējas (metamorfozējas), erodējas un atgriežas magmas sastāvā.
• Uniformisma teorija balstās uz pieņēmumu, ka ģeoloģiskie procesi Zemes vēsturē (pagātnē) ir norisinājušies līdzīgi mūsdienu procesiem.
• Evolūcijas teorija – Čārlza Darvina (Charles Darwin) un Alfrēda Volesa (Alfred Russel Wallace) definētā evolūcijas teorija ir pamatā mūsdienu bioloģijai.
• Siltumnīcas efekts – pieņēmums, ka Zemes atmosfēra uztur temperatūru, kas ir atbilstoša dzīvībai, jo noteiktas atmosfēras gāzes (oglekļa dioksīds jeb ogļskābā gāze, CO₂, metāns, CH₄) veicina siltuma aizturēšanu Zemes atmosfērā.
• Gaijas hipotēze – pieņēmums, ka Zeme kā planetāra sistēma tiecas uz pašregulāciju, nodrošinot apstākļus, kas ir labvēlīgi, lai pastāvētu dzīvība.

Galvenās metodes Zemes zinātņu pētījumos ietver lauka pētījumus, tālizpēti, laboratorijas analīzes un matemātisko un telpisko modelēšanu. Zemes zinātņu pētniecības metodes ir sarežģītas, prasa plašas zināšanas un ir finansiāli ietilpīgas, ar lielu uzsvaru uz jaunākajām tehnoloģijām. Īpaši jāizceļ tālizpēte, kas ļauj aptvert plašas teritorijas un veikt precīzus mērījumus, piemēram, okeāna virsmas topogrāfijas un temperatūras mērījumus. Ir radīti specifiski satelīti, kuru uzdevums ir monitorēt konkrētus Zemes atmosfēras, okeāna vai sauszemes parametrus, piemēram, vidējas izšķirtspējas attēlveidošanas spektroradiometrs (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS) mēra atmosfēras sastāvu un mitrumu, okeāna straumes, ozona daudzumu un siltumnīcas efekta gāzes. Satelīts (Suomi National Polar-orbiting Partnership, Suomi-NPP) monitorē globālo klimatu, mēra okeāna virsmas temperatūru, atmosfēras sastāvu un sauszemes veģetāciju. Eiropas Savienības Copernicus programmas Sentinel-5P satelīts novēro gaisa kvalitāti un atmosfēras sastāvu, konkrēti – metāna (CH₄), ogļskābā gāzes (CO₂) un ozona (O₃) daudzumu atmosfērā.

Šīs pieejas ļauj zinātniekiem rekonstruēt pagātnes klimatu, prognozēt vides apstākļus nākotnē un atklāt resursu, piemēram, minerālvielu, fosilā kurināmā un ģeotermālās enerģijas, atradnes.

Zemes zinātņu jēdziens attīstījās, veidojoties jaunām perspektīvām un pilnveidojoties jau esošajām zinātņu apakšnozarēm, kas nodarbojas ar planētas dažādo aspektu izpēti.

Senajā Grieķijā filozofi Aristotelis (Ἀριστοτέλης) un Strabons (Στράβων) ieviesa idejas par Zemes formu, struktūru un procesiem, kas lika pamatus mūsdienu zinātnes konceptiem. Viduslaikos islāma pasaulē zinātnieki, piemēram, persiešu zinātnieks Abū Raihāns Bīrūnī (ابوریحان بیرونی), attīstīja idejas par Zemes formu, mineraloģiju un ūdens cirkulāciju. Renesanses un apgaismības periodā (16. un 17. gs.) notika lielie ģeogrāfiskie atklājumi, sasniegumi ģeodēzijā, kartogrāfijā, navigācijā un bioloģijā. Tika likti pamati ģeoloģiskajai laika skalai un stratigrāfijai. 19. gs. laikā strauji attīstījās ģeoloģija, tika formulēta evolūcijas teorija, kas sasaistīja ģeoloģiju ar bioloģiju un skaidroja dzīvības attīstību uz Zemes. 20. gs. nozīmīga bija plātņu tektonikas teorija un radioaktivitātes atklāšana, kas būtiski uzlaboja ģeoloģiskās datēšanas metodes un ļāva uzticamāk rekonstruēt Zemes vēsturi. 20. gs. beigās strauji attīstījās ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (ĢIS), globālās navigācijas satelītu sistēmas (GNSS) un tālizpēte, kas radikāli izmainīja Zemes zinātnes.

Zemes zinātnes mūsdienās sniedz būtisku un praktiski pielietojamu informāciju par Zemes sistēmu stāvokli, dinamiku un potenciālām attīstības trajektorijām, kas ļauj veikt prognozes. Tehnoloģiju attīstība un jauni risinājumi ir nozīmīgi, lai nodrošinātu Zemes zinātņu efektivitāti un arī popularitāti. Zemes zinātņu sniegtās zināšanas ir kļuvušas ļoti viegli pieejamas, integrējot tās sabiedrības dzīvē, piemēram, laikapstākļu prognozes, dabas katastrofu brīdinājumi, interaktīvas kartes un virtuālā realitāte.

Parīzes ģeofizikas institūts (Institut de Physique du Globe de Paris) Parīzē, Francijā – vulkānisms, plātņu tektonika, seismoloģija un Zemes magnētiskais lauks. Kanādas ģeoloģijas dienests (Geological Survey of Canada) Otavā, Kanādā – ģeoloģija, resursu izpēte un vides ilgtspēja. Alfrēda Vegenera institūts (Alfred-Wegener-Institut) Brēmenē, Vācijā – veic polārpētījumus, okeanogrāfiskos un bioloģiskās daudzveidības un klimata sistēmu pētījumus.

Science of total Environment (izdevējs Elsevier, kopš 1972. gada), Journal of Earth Science (izdevējs Springer, kopš 2009. gada), Nature Geoscience (izdevējs Springer, kopš 2008. gada).

Zemes zinātnēs lielu ieguldījumu ir devuši daudzi pētnieki. Skotu ģeologs Džeimss Hatons (James Hutton) tiek uzskatīts par modernās ģeoloģijas pamatlicēju. Vācu polārpētnieks, ģeofiziķis un meteorologs Alfrēds Vegeners (Alfred Wegener) izstrādāja kontinentu dreifa teoriju, kas ir ļoti nozīmīga, lai veidotu pilnīgāku izpratni par Zemes sistēmu procesiem. Angļu dabas pētnieks, ģeogrāfs un biologs Čārlzs Darvins (Charles Darwin) radīja evolūcijas teoriju, kas revolucionizēja bioloģiju.

No mūsdienu zinātniekiem minams amerikānis Džeimss Hansens (James Hansen) no Kolumbijas Universitātes (Columbia University), kurš sniedzis lielu ieguldījumu klimata pārmaiņu izpētē, un Mārsija Maknata (Marcia McNutt), kura bijusi Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Ģeoloģijas dienesta (United States Geological Survey) direktore un ir ASV Nacionālās zinātņu akadēmijas (National Academy of Sciences) priekšsēdētāja.