Vēsturiskā ģeoloģija analizē tos ģeoloģiskos procesus, kuru darbība izmaina Zemes virsmas un dzīļu uzbūvi un sastāvu, izmantojot dažādu ģeoloģijas apakšnozaru un citu Zemes zinātņu, piemēram, paleontoloģijas, paleoģeogrāfijas, paleovulkanoloģijas, iegūtos datus. Vēsturiskā ģeoloģija aptver četras nozīmīgas zinātnes nozares: ģeohronoloģiju, ko izmanto par ģeoloģisko notikumu kalendāru 4,6 miljardu gadu garumā; stratigrāfiju, kas pēta Zemes garozas slāņu veidošanās secību un nosaka to vecumu; paleoģeogrāfiju, kas rekonstruē pagātnes fizikāli ģeogrāfiskos apstākļus; paleotektoniku, kas pēta Zemes garozas kustību un deformāciju vēsturi. Ar paleoģeogrāfiju cieši saistītas nozares ir paleoklimatoloģija, kas pēta seno klimatu, paleoģeomorfoloģija, kas pēta pagātnes topogrāfiju un reljefu, un paleookeanogrāfiju, kas pēta pagātnes okeānu fizikālus, bioloģiskus un ģeoloģiskus aspektus. Paleotektonikas ietvaros 20. gs. radās jauna nozare – paleoģeodinamika, kas pēta litosfēras tektonisko plātņu mijiedarbību. Paleoģeogrāfija un paleotektonika ir saistītas ar paleovulkanoloģiju. Vēsturiskā ģeoloģija izmanto paleontoloģijas pētījumu datus par pagātnes dzīvo organismu, baktēriju, vienšūņu, augu un dzīvnieku formu nomaiņu ģeoloģiskā laikā. Katras atsevišķas zinātnes mērķis ir rekonstruēt kādu no ģeoloģiskās pagātnes aspektiem, bet vēsturiskās ģeoloģijas – apvienot šos aspektus vienotas ainas atveidei.

Vēsturiskās ģeoloģijas teorētiskā nozīme veido pasaules uzskatu būtisku sastāvdaļu. Saskaņā ar mūsdienu zinātniskajiem priekšstatiem par Zemes vēsturi, tā ilgst gandrīz 4,6 miljardus gadu pakāpenisku, lēnu un grūti saskatāmu pārmaiņu rezultātā, kā arī katastrofālu notikumu iespaidā. Vulkānu izvirdumi, zemestrīces un lielu kosmisko ķermeņu – komētu, meteorītu un asteroīdu – triecieni saistāmi ar Zemes iekšējās vai citu kosmisko ķermeņu lielas potenciālās enerģijas pēkšņu atbrīvošanos. Ar šiem procesiem saistītās pārmaiņas Zemes virsmā un dzīlēs mēdz būt ļoti uzskatāmas, var aptvert plašas teritorijas un pat atstāt globālu iespaidu. Iežu dēdēšana, erozija un nogulu uzkrāšanās galvenokārt ir lēni un pakāpeniski procesi, kas turpinās visu Zemes vēsturi. Praktiskā vēsturiskās ģeoloģijas nozīme saistīta ar derīgo izrakteņu un energoresursu izvietojuma likumsakarību izpratni, kas nav iespējama bez attiecīgas teritorijas ģeoloģiskās vēstures izzināšanas. Teritorijas ģeoloģiskās vēstures izpratne cieši saistīta ar vides ģeoloģiju, kas pēta dažādus ģeoloģiskos riskus un spēj prognozēt potenciālas stihiskas nelaimes – vulkānu izvirdumus, zemestrīces, nogruvumus un noslīdeņus. Līdz ar to vēsturiskās ģeoloģijas praktiskā nozīme izpaužas arī kā spēja prognozēt ģeoloģiskos notikumus tuvākā vai tālākā nākotnē. 

Vēsturiskā ģeoloģija, fizikālā ģeoloģija un lietišķā ģeoloģija ir nozīmīgākās ģeoloģijas apakšnozares. 

Vēsturisko ģeoloģiju nosacīti dala trīs lielās apakšnozarēs atbilstoši ģeoloģiskā laika skalai: pirmskembrija vēsturiskā ģeoloģija, fanerozoja pirmskvartāra vēsturiskā ģeoloģija un kvartārģeoloģija.

Pirmskembrija vēsturiskā ģeoloģija skaidro Zemes un Mēness rašanos, senākās okeāna un kontinentālās garozas veidošanos, primārās un sekundārās atmosfēras izcelšanos, hidrosfēras (okeānu, jūru un saldūdens baseinu) rašanos, plātņu tektonikas mehānismu iedibināšanu, dzīvības izcelšanos un agrīno formu evolūciju, eikariotu jeb organismu ar kodolu šūnās un pirmo daudzšūnu organismu rašanos.

Fanerozoja pirmskvartāra vēsturiskā ģeoloģija analizē ģeoloģiskus un bioloģiskus notikumus pēdējo 542 miljonu gadu gaitā (atskaitot pēdējos 2,58 miljonus gadu). Nozīmīgākie ģeoloģiskie notikumi saistīti ar litosfēras tektonisko plātņu pārvietošanos, okeānu veidošanos un izzušanu, kontinentu sadursmēm un sadalīšanos, kalnu celšanos un specifisko derīgo izrakteņu uzkrāšanos. Fanerozojā vairākkārt strauji pieauga bioloģiskā daudzveidība (bioloģiskās revolūcijas). Piemēram, kembrija skeletu veidotāju evolucionārais sprādziens, ordovika bioloģiskās daudzveidības krass pieaugums (biodiversifikācijas), vēlā devona augu “revolūcija” un citas epizodes. Notikušas vairākas masveida izmiršanas epizodes, no kurām upuru skaita ziņā dramatiskākās notika ordovika perioda, devona Franas laikmeta, perma perioda, triasa Karnijas laikmeta un krīta perioda beigās.

Kvartārģeoloģija pēta notikumus pēdējo 2,58 miljonu gadu laikā. Šajā laikā klimats globāli kļuva vēsāks, kas izraisīja plašu kontinentālo apledojumu veidošanos ne tikai dienvidu, bet arī ziemeļu puslodē. Kvartāra notikumi būtiski ietekmēja dažādu organismu evolūciju, t. sk. primātu evolūcijas rezultātā radās mūsdienu cilvēku bioloģiskā suga Homo sapiens. 

Vēsturiskā ģeoloģija apkopo citu zinātņu iegūtos datus, lai pēc iespējas pilnīgāk rekonstruētu Zemes ģeoloģisko vēsturi, tāpēc šai nozarei nav raksturīgas savas specifiskas pētniecības metodes.

Jau antīkās pasaules domātāji un dabaszinātnieki pievērsa uzmanību Zemes ilgstošai vēsturei un planētas izmaiņām laika gaitā, kas parasti bija pretrunā ar reliģiskajiem priekšstatiem par Zemi. Piemēram, pirmsokrātiskais domātājs Taless no Milētas (Θαλῆς ὁ Μιλήσιος) par visa pirmvielu uzskatīja ūdeni, no kā izveidojies viss pārējais. Zeme, pēc viņa uzskatiem, ir ļoti sens plakans disks, kas peld virs pirmatnējā ūdens. Interesantas domas par pasaules rašanos un uzbūvi atrodamas sengrieķu filozofa Empedokla (Ἐμπεδοκλῆς) darbā “Par Dabu” (Περί Φύσεως), viena no rietumu filozofijas ietekmīgākajiem pārstāvjiem sengrieķu zinātnieka Aristoteļa (Ἀριστοτέλης) darbos, sengrieķu ģeogrāfa Strabona (Στράβων) darbā “Ģeogrāfija” (Γεωγραφικά, 17 sējumi). Viduslaikos Eiropā dominēja reliģiskie uzskati par pasaules rašanos un uzbūvi. Nozīmīgas izmaiņas Zemes izzināšanā notika renesanses laikā. Piemēram, itāļu zinātnieks Leonardo da Vinči (Leonardo da Vinci) darbā “Lesteras kodekss” (Codex Leicester, 1510) secināja, ka Lombardijas nogulumiežu slāņos Itālijas ziemeļos atrodamās gliemju čaulas ir sen izzudušo dzīvības formu liecības. 18. gs. vidū viens no mūsdienu Krievijas zinātnes pamatlicējiem Mihails (Mihailo) Lomonosovs (Михаил Васильевич Ломоносов) darbā “Par Zemes slāņiem” (О слоях земных, 1750) atzīmēja ģeoloģiskā laika ilgumu, Zemes virsmas vairākkārtējas pārmaiņas ģeoloģisko procesu rezultātā, klimata un ainavu izmaiņas Zemes vēsturē, kā arī izsmēja tā laika uzskatus par fosilijām kā “dabas rotaļas” veidojumiem. Vēsturiskā ģeoloģija kā patstāvīga zinātnes nozare radās 18. gs. līdz ar pirmajiem darbiem stratigrāfijā un strauji attīstījās 19. gs. sākumā. Vācu ģeologi, īpaši Ābrahams Verners (Abraham Golltob Werner), veica pētījumus, kuru rezultātā tika radīta Centrālās Vācijas nogulumu stratigrāfiskā shēma un uz tās pamata atainota Eiropas ģeoloģiskās attīstības vēsture. Vēsturiskās ģeoloģijas attīstībā nozīmīga bija biostratigrāfiskās jeb paleontoloģiskās iežu vecuma noteikšanas metodes ieviešana. Par biostratigrāfijas pamatlicējiem uzskata angļu ģeologu Viljamu Smitu (William Smith), kurš darbā par Anglijas ģeoloģisko uzbūvi “Pēc fosilijām atšķirīgie slāņi” (Strata Identified by Organized Fossils, 1816–1819) pamatoja iespēju noteikt slāņu vecumu pēc tajos iekļautajām fosilijām, franču zinātniekus – fosilo mugurkaulnieku pētnieku Žoržu Kivjē (Georges Cuvier) un paleobotāniķi Adolfu Bronjāru (Adolphe-Théodore Brongniart). Ž. Kivjē bija viens no 19. gs. ļoti populārās katastrofu teorijas radītājiem. Analizējot ģeoloģiskos novērojumus, Ž. Kivjē pierādīja, ka daži organismi izmira un to vietu ieņēma citi; iemesls – katastrofiski notikumi. Pamatojoties uz Ž. Kivjē uzskatiem, šveiciešu dabaszinātnieks Luijs Agasīzs (Jean Louis Rodolphe Agassiz), franču zinātnieki Alsids d’Orbinī (Alcide Charles Victor Marie Dessalines d’Orbigny) un Leonss Elī Debomu (Jean Baptiste Armand Louis Léonce Élie de Beaumont), kā ari citi gandrīz visus ģeoloģiskos notikumus un pārmaiņas sāka skaidrot ar dažāda mēroga katastrofām. Jau 19. gs. katastrofu teoriju kritizējuši franču naturālists Žans Batists Lamarks (Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, chevalier de Lamarck), kurš radīja pirmo organiskās pasaules evolūcijas teoriju, angļu ģeologs Čārlzs Laiels (Charles Lyell) un angļu dabaszinātnieks Čārlzs Darvins (Charles Darwin). Č. Laiels darbā “Ģeoloģijas principi” (Principles of geology, 1830–1833) formulēja uniformisma principu, saskaņā ar kuru pagātnē Zemi pārveidoja tie paši ģeoloģiskie procesi, kas novērojami pašlaik. Mūsdienās uzskata, ka laika gaitā mainās arī ģeoloģiskie procesi, tāpēc ģeoloģijā tiek izmantots aktuālisma princips. Saskaņā ar to pagātnes un tagadnes ģeoloģiskos procesus virza laikā nemainīgi dabas likumi un pagātnes notikumus var skaidrot, izmantojot mūsdienu novērojumus. Mūsdienu vēsturiskās ģeoloģijas koncepcijas satur idejas par atsevišķiem katastrofiskiem notikumiem ģeoloģiskajā pagātnē, tādējādi samierinot “katastrofistu” un ”uniformistu” viedokļus. 19. gs. vidū tika veikti pirmie mēģinājumi rekonstruēt dažu ģeoloģisko laikposmu fizikāli ģeogrāfiskos apstākļus. Jau 19. gs. 80. gadu sākumā tika uzkrāts bagātīgs materiāls par atsevišķu teritoriju ģeoloģisko uzbūvi un ģeoloģiskās attīstības vēsturi, ko vajadzēja apkopot. Pirmais to veica austriešu ģeologs Eduards Ziss (Eduard Suess), kas monogrāfijā “Zemes seja” (Das Antlitz der Erde, trīs sējumi, 1883–1888) izveidoja vienotu Zemes virsmas nozīmīgāko formu sistēmu un noskaidroja mūsdienu okeānu, kontinentu un kalnu grēdu likumsakarīgu saikni ar ģeoloģiskās attīstības vēsturi. 19. gs. turpinājās asas diskusijas par Zemes vecumu, ko aprēķināja no simts tūkstošiem līdz vairākiem miljardiem gadu. Tikai 20. gs. sākumā, pēc radioaktivitātes atklājuma un izmantojot radiometriju, noskaidroja Zemes vecumu, ko sākotnēji novērtēja kā 2 miljardi gadu. Skaidrojot kontinentu, okeānu un kalnu grēdu izvietojumu un attīstību, 20. gs. sākumā dominēja t. s. ģeosinklinālā teorija, kuru radīja amerikāņu ģeologs Džeimss Holls (James Hall). Franču ģeologs Emils Ogs (Gustave Émile Haug) darbā “Ģeosinklināles un kontinentālās zonas” (Les géosynclinaux et les aires Continentales, 1900) skaidri nodalīja stabilus Zemes garozas nogabalus – platformas un nestabilus rajonus – ģeosinklināles, kuru attīstībā grimšanu nomaina strauja celšanās un kalnu veidošanās. Šī teorija nespēja rast atbildi par procesiem, kas virza ģeosinklināļu attīstību. Tās vietā vācu ģeofiziķis Alfrēds Vegeners (Alfred Wegener) grāmatā “Par kontinentu un okeānu izcelsmi” (Die Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1915) izvirzīja kontinentu dreifa hipotēzi, kas neguva atsaucību un tika ignorēta. Tomēr kopš okeānu gultnes ģeoloģiskās uzbūves pētījumu sākuma 20. gs. 50. gadu vidū tika veikti daudzi pētījumi, kuru rezultāti apstiprināja A. Vegenera hipotēzi. Rezultātā uz citu pierādījumu bāzes izveidota mūsdienu litosfēras tektonisko plātņu teorija. Saskaņā ar to, Zemes litosfēru veido vairāki kustīgi bloki, kas savstarpēji lēni pārvietojas. Jaunā okeānu Zemes garoza rodas okeāna gultnes paplašināšanās (spredinga) procesos. Kontinentālā garoza – vulkānisko salu loki vai kalnu grēdas – veidojas atsevišķu plātņu sadursmēs, t. sk. subdukcijas (plātnes grimšanas) procesos. 

21. gs. ir sasniegts ievērojams progress pirmskembrija Zemes evolūcijas izpratnē. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām, visticamākā ir nebulārā teorija – Saules sistēma, t. sk. sākotnējā Zeme, izveidojās pirms apmēram 4,6 miljardiem gadu no putekļu un gāzu mākoņa jeb nebulas. Pirms apmēram 4,54 miljardiem gadu Zeme stipri cieta sadursmē ar hipotētisko Marsa lieluma planētu, kuru nosauca par Teiju. Sadursmes rezultātā Zemes virsējie slāņi un daļa no Teijas tika izmesti Zemes orbītā. Dažu mēnešu laikā tie konsolidējās un izveidojās Mēness. Teijas kodols saplūda ar Zemi, tāpēc būtiski pieauga Zemes masa, tās ass noliecās līdz 22–24° no ekliptikas plaknes, un planēta sāka strauji rotēt ap savu asi. Iespējams, planētas temperatūra paaugstinājās tiktāl, ka cietie ieži uz Zemes virsmas sabruka. Senākie līdz mūsdienām Austrālijā atrastie minerāli cirkoni ir apmēram 4,4 miljardus gadu veci.

Tiek uzskatīts, ka nekad netiks konstatēti par 4,42 miljardiem gadu senāki minerāli. Sadursmē tika iznīcināta Zemes sākotnējā jeb primārā atmosfēra, kas nav atstājusi nekādas liecības Zemes dzīlēs. Sekundārā atmosfēra, ieskaitot ūdens tvaikus, radās galvenokārt mantijas degazācijā vulkānu izvirdumos. Tā papildinājās sadursmēs ar komētām, nedaudz – ūdens molekulu sabrukšanā Saules staru ietekmē (fotodisociācijai) un dažu radioaktīvo izotopu sabrukšanā līdz elementiem, kas var pastāvēt kā gāzveida viela. Hidrosfēra radās pēc Zemes virsmas atdzišanas līdz temperatūrai, kurā ūdens pastāv šķidrā veidā. Iespējams, pēc sadursmes ar Teiju sākās mantijas konvekcija, kas ar laiku noveda līdz litosfēras plātņu tektonikas mehānisma izveidei. Lielas siltuma plūsmas dēļ uz Zemes sākotnēji veidojās tikai okeāna tipa garoza, ko veidoja ar dzelzi un magniju bagāta, bet ar alumīniju un silīciju nabadzīga lava. Pirmā kontinentālā garoza veidojās atdzisušas lavas “salu” sadursmēs. Zemes paši senākie ieži, kas atrasti Kanādas vairogā, tiek datēti kā 4,01 miljardus gadu veci. Šie ieži atbilst arhaja eonotēmas senākiem veidojumiem. Ģeoloģiskās evolūcijas gaitā kontinentālās garozas īpatsvars nepārtraukti pieauga, bet mūsdienās pieauguma tempi ir mazāki nekā tālajā pagātnē. Bet okeāna garoza subdukcijas zonās regulāri atgriežas mantijā un tiek pārkausēta daļēji kontinentālajā garozā, bet galvenokārt mantijas materiālā. Mantijas konvekcijas dēļ uz Zemes cikliski nomainījās kontinentu apvienošanās un sabrukšanas periodi; rezultātā Zemes vēsturē izveidojās vairāki dižkontinenti. Viens no senākajiem ir Nunas (Kolumbijas) kontinents, kura veidošanās gaitā proterozoja sākumā, pirms apmēram 2,0–1,8 miljardiem gadu, radās Baltijas teritorija. Labi izpētīta vidējā proterozoja Rodīnijas (apmēram pirms 1 miljarda gadu), vēlā proterozoja Pannotijas (pirms 600 miljoniem gadu) un vēlā paleozoja Pangejas (pirms 300 miljoniem gadu) dižkontinenta vēsture.

Pirmās dzīvības pazīmes atrastas apmēram 3,8 miljardus gadu senos iežos. Visticamākā hipotēze – dzīvība uz Zemes radās abioģenēzes ceļā arhaja okeānu krastos vai piekrastē, iespējams, sauszemē, šļakatu zonā vai arī sekla ūdens zonā, tuvu termālo ūdeņu izplūdes vietām. Jau arhaja atmosfērā fotosintezējošo baktēriju darbības rezultātā parādījās biogēnais skābeklis, kas aktīvi iesaistījās brīvo metālu un dažādu gāzu oksidēšanā. Vēlajā arhajā molekulārais skābeklis sāka uzkrāties atmosfērā, vēlāk arī okeāna virsējos slāņos. Brīdī, kad skābekļa saturs atmosfērā sasniedza vismaz 1 % no mūsdienu satura, elpošana kļuva par enerģētiski izdevīgāku vielmaiņas procesu, salīdzinot ar citiem enerģijas ieguves veidiem, ko izmantoja baktērijas. Rezultātā proterozojā pirms apmēram 2 miljardiem gadu radās pirmie organismi ar kodolu šūnā (eikarioti). Tiem raksturīgi lieli šūnu izmēri, komplicēta uzbūve un ar membrānu no pārējās citoplazmas nodalīts kodols, kurā glabājas ģenētiskā informācija. Ilgstošas evolūcijas rezultātā proterozoja vidū, pirms apmēram 1,2 miljardiem gadu, radās pirmie daudzšūnu organismi. Organismi, kuriem bija skeleti, masveidā parādījās ģeoloģiski samērā īsā intervālā kembrija sākumā, pirms 542 līdz 536 miljoniem gadu. Turpmākās evolūcijas gaitā cēlās dzīvības formu organizācijas līmenis un pieauga bioloģiskā daudzveidība, kas būtiski samazinājās masveida izmiršanas epizodēs perma un krīta perioda beigās.

Pētījumi stratigrāfijā un ģeohronoloģijā, paleoģeogrāfijā un paleontoloģijā, struktūrģeoloģijā un paleotektonikā, kā arī citās ar vēsturisko ģeoloģiju saistītajās jomās notiek praktiski visās ar ģeoloģiju saistītajās pētniecības organizācijās.

Journal of the Geological Society (Lielbritānija, kopš 1971. gada; iepriekš Proceedings of the Geological Society of London, 1845–1970); Norsk Geologisk Tidsskrift (Norvēģija, kopš 1905. gada); Mitteilungen der Österreichischen Geologischen Gesellschaft (Austrija, kopš 1908. gada); Acta Geologica Sinica (Ķīna, kopš 1922. gada); Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География (Krievija, kopš 1946. gada); Acta Geologica Polonica (Polija, kopš 1950. gada); Estonian Journal of Earth Sciences (Igaunija, iepriekš Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, Geology, kopš 1952. gada); Геология рудных месторождений (Krievija, kopš 1959. gada; tulkojumā izdod kā Geology of Ore Deposits kopš 2006. gada); Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology (izdevējs Elsevier, kopš 1965. gada); Geobios (izdevējs Elsevier, kopš 1968. gada); Boreas (Lielbritānija, kopš 1972. gada); Precambrian Research (Nīderlande, izdevējs Elsevier, kopš 1974. gada); Quaternary Science Reviews (Lielbritānija, izdevējs Elsevier, kopš 1982. gada); Journal of Metamorphic Geology (Lielbritānija, kopš 1983. gada); Gondwana Research (ASV, izdevējs Elsevier, kopš 1997. gada), Solid Earth (Vācija, kopš 2010. gada).