Ģeohronoloģija skaidro dažādu ģeoloģisko veidojumu un notikumu ģeoloģisko vecumu un veic ģeoloģiskā laika periodizāciju dažāda ranga ģeohronoloģiskajās vienībās, veidojot ģeohronoloģisko skalu. Ģeohronoloģisko skalu veido hierarhiski pakārtotas laika vienības no garākās līdz īsākai – eona, ēra, periods, epoha un laikmets. Šīs laika vienības atbilst hronostratigrāfiskajām iežu vienībām – eonotēmai, eratēmai, sistēmai, nodaļai un stāvam.

Ģeohronoloģijas teorētisko un praktisko nozīmi nosaka tās pētījumu objekts – ģeoloģiskais laiks, kas pagājis kopš Zemes rašanās līdz mūsdienām. Ģeohronoloģija gan izstrādā Zemes vēstures “kalendāru”, gan veic dažādu ģeoloģisko notikumu un veidojumu datēšanu. Tādējādi ģeohronoloģija palīdz noskaidrot dažādu notikumu secību Zemes vēsturē un izprast planētas attīstības likumsakarības.

Ģeohronoloģija ir patstāvīga Zemes zinātne, kas cieši saistīta ar ģeoloģiju un stratigrāfiju, kā arī ģeoķīmiju un ģeofiziku. Parasti izšķir t. s. absolūto un relatīvo ģeohronoloģiju. Absolūtās ģeohronoloģijas pamatā ir minerālu un iežu vecuma noteikšana mūsdienu gados pēc radioaktīvo izotopu pētījumiem (radiometrija). Pēdējo 14 000 gadu laikposma notikumu un veidojumu datēšanai izmanto mālaino iežu smalko kārtojumu (varvometrija) un kokaugu gadskārtas (dendrohronoloģija), bet līdz 800 000 gadu seno notikumu datēšanai izmanto arī ledus kārtiņas kontinentālajos ledājos. Relatīvā ģeohronoloģija izmanto paleomagnētisma pazīmes par Zemes magnētiskā lauka inversijām un stabilo izotopu attiecības iežos.

Minerāli, kas veido iežus, sastāv no noteiktiem ķīmiskiem elementiem. Daudziem elementiem ir radioaktīvie izotopi, kas ir nestabili un ar laiku sabrūk, veidojot citus elementus. Radioaktīvo izotopu sabrukšanas rezultātā minerālos veidojas tiem neraksturīgie elementi. Zinot nestabilo izotopu pussabrukšanas periodu, to sākotnējo koncentrāciju minerālā un izmērot sabrukšanas rezultātā radušos stabilo izotopu koncentrāciju, nosaka minerāla vecumu un attiecīgā ieža veidošanās laiku. Raksturīgie radioaktīvo izotopu sabrukšanas produkti ir argons (Ar), kas rodas no radioaktīvā kālija (K), un svins (Pb) pēc urāna (U) vai torija (Th) sabrukšanas. Datēšanai jeb radiometrijai galvenokārt izmanto magmatisko un metamorfo iežu minerālus. Katrs minerāls kļūst par slēgtu sistēmu tam specifiskajā temperatūrā, ko sauc par slēgšanas temperatūru. Minerāla muskovīta (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(F,OH)₂; kālija alumīnija silikāthidroksīds) slēgšanas temperatūra ir apmēram 350° C, bet cirkona (ZrSiO₄; cirkonija ortosilikāts) – nedaudz vairāk par 1000° C. Augstākā temperatūrā minerāla kristāliskais režģis no magmas var papildināties ar citiem elementiem vai arī sabrukšanas produkti var izkļūt no kristāliskā režģa un nonākt mantijā. Par slēgšanas temperatūru zemākajā temperatūrā izotopu difūzija kristāliskajā režģī vai prom no režģa nenotiek. Parasti drupiežu minerālu datēšana uzrāda nevis ieža veidošanās laiku, bet konkrēta minerāla grauda rašanās brīdi, kad tas atdzisa zem slēgšanas temperatūras.

Tiek izmantotas apmēram 20 dažādas radiometrijas metodes. Biežāk lietotās ir urāna-svina, kālija-argona un tā paveida argona-argona (Ar⁴⁰-Ar³⁹), rubīdija-stroncija (Rb-Sr), lutēcija-hafnija (Lu-Hf), samārija-neodīma (Sm-Nd) un radioaktīvā oglekļa (¹⁴C) metodes. Urāna-svina metode ir vecākā, tai ir vairāki veidi; parasti urāna-svina metodi izmanto liela vecuma (no arhaja līdz paleogēnam, no 4 miljardus līdz 25 miljoniem gadu senu) magmatisko iežu datēšanai pēc izotopu satura minerālā cirkonā, retāk monacītā ((Ce, La, Nd, Th)PO₄; fosfāts, kas satur retzemju elementus), allanītā ((Ce,Ca,Y,La)₂(Al,Fe⁺³)₃(SiO₄)₃(OH), sorosilikāts, kas mēdz saturēt lielu daudzumu papildus elementus toriju, urānu, cirkoniju, fosforu (P), bāriju (Ba), hromu (Cr) un citus) un rutilā (TiO₂, titāna dioksīds). Metodi “U-sērija” izmanto karbonātu, opāla, citu veidojumu ar augstu urāna, bet zemu torija saturu datēšanai; vecums – no vairākiem tūkstošiem līdz 500 000 gadu. Pēc kālija-argona (K-Ar) un argona-argona metodes nosaka magmatisko un metamorfo iežu – muskovīta slānekļu, bazaltu un dažu nogulumiežu – kālija sāļu, impaktītu, brīvo metālu vecumu. Analizē kālija un argona izotopus tādos minerālos kā vizla (biotīts (K(Mg,Fe)₃(AlSi₃O₁₀)(F,OH)₂, kālija, magnija un dzelzs alumosilikāthidroksīds), muskovīts), ragmānis (Ca₂(Mg, Fe, Al)₅(Al, Si)₈O₂₂(OH)₂, kalcija-magnija-dzelzs, alumīnija-dzelzs-magnija un dzelzs-magnija silikāts), piroksēni (inosilikātu minerālu grupa), laukšpati (silikātu minerāli mikroklīns (KAlSi₃O₈), anortoklāzs ((Na,K)AlSi₃O₈), sanidins ((K,Na)AlSi₃O₈), plagioklāzi), glaukonīts ((K,Na)(Fe³⁺,Al,Mg)₂(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂, kālija-dzelzs vizlas grupas filosilikāts). Kālija-argona metodi izmanto vulkānisko pelnu slāņu datēšanai, kas pārklāj vai atrodami cilvēku senču atlieku atradumu vietās, tāpēc tai ir liela nozīme paleoantropoloģijā. Šī ir ļoti precīza metode, parasti kļūda ir ±0,25 %, tomēr pēc tās nevar noteikt vecumu, kas ir mazāks par 100 000 gadu. Rubīdija ļoti garā pussabrukšanas perioda dēļ rubīdija-stroncija metodi lieto iežu, kas vecāki par 0,5 miljardiem gadu, datēšanai pēc piemaisījumiem vizlā (filosilikātu minerālu grupa). Samārija-neodīma sistēmu izmanto, lai noteiktu senu iežu kristalizācijas vecumu pēc granātiem (silikātu minerālu grupa), ja tie nesatur urānu. Radioaktīvā oglekļa metodi izmanto fosīliju vecuma noskaidrošanai pēc radioaktīvā izotopa (¹⁴C) daudzuma samazināšanās kaulos, koksnē un citos organiskas izcelsmes materiālos. Berilija (Be) un termoluminescences metodi lieto relatīvi neseno, parasti ne senāku par 20 000 gadiem, notikumu datēšanai. Kosmisko staru ietekmē minerāla kvarca graudos veidojas berilija (¹⁰Be) un alumīnija (²⁶Al) izotopi, kuru saturu var noteikt ar masu spektrometru. Aprēķinot (¹⁰Be) daudzumu laukakmeņos, kas satur granītu, nosaka, cik ilgi tie bija pakļauti Saules staru iedarbībai. Tādā veidā nosaka, pirms cik ilga laika no ledus izkusa ledāja nestie laukakmeņi. Termoluminiscences metodes pamatā ir kosmisko staru ietekme uz nogulumu minerālu graudiem. Atsevišķi minerālu graudi nogulās ir dabiski dozimetri, jo radionuklīdu ietekmē to kristāliskajā režģī veidojas defekti un ieslēgumi. Karsējot līdz 5 000⁰ C augstā temperatūrā slāpekļa (N) atmosfērā, graudi izstaro gaismu; jo vecāki paraugi, jo spilgtāka ir luminiscence. Berilija un termoluminescences metodi stratigrāfijā lieto nosacīti. Varvometrijas pamatā ir slokšņu mālu kārtiņu (varvju) skaitīšana ledāja kušanas ūdeņu baseinu nogulumos. Mūsdienās pēc varvometrijas metodes nosaka notikumu vecumu, kas risinājās pirms 14 000 gadu Skandināvijā, Alpos, Baltijā, Krievijas ziemeļdaļā, Ziemeļamerikā un Argentīnā.

Radioaktivitātes pētījumu rezultātā 20. gs. sākumā angļu fiziķis Ernests Rezerfords (Ernest Rutherford) izteica domu, ka radioaktīvās sabrukšanas dēļ starojuma alfa daļiņas var tikt ieslēgtas iežos kā hēlija (He) atomi. 1905. gadā E. Rezerforda lekciju iespaidā amerikāņu radioķīmiķis Bertrams Boltvuds (Bertram Borden Boltwood) viens no pirmajiem veica iežu datēšanu pēc urāna un svina, ko aprakstīja darbā “Par radioaktīvo elementu galīgas sabrukšanas produktiem. Urāna sabrukšanas produkti” (On the ultimate disintegration products of the radio-active elements, 1907). Vienlaicīgi angļu fiziķis Roberts Strats (Robert Strutt, 4^th Baron Rayleigh) analizēja dažādus minerālus, kas satur radioaktīvos elementus urānu, toriju, rādiju (Ra), kā arī hēliju, un pierādīja, ka hēlija saturs ir atkarīgs no minerāla vecuma. Darbā “Par radioaktīviem minerāliem” (On the Radio-active Minerals, 1905) R. Strats pēc rādija un hēlija attiecībām noteica minerāla torianīta (ThO₂, torija dioksīds), kuru atrada Ceilonā (tagad Šrilanka), absolūto vecumu – 2,4 miljardi gadu. Autors savā darbā arī atzīmēja, ka vecums noteikts kļūdaini, jo daļa hēlija radusies, sabrūkot torijam. R. Strata un B. Boltvuda darbi, kaut arī saturēja būtiskas kļūdas, rosināja turpmākus pētījumus ģeohronoloģijā. Par ģeohronoloģijas pamatlicēju uzskata R. Strata studentu Arturu Holmsu (Arthur Holmes).

Britu ģeologs A. Holmss pirmo reizi veica vairāku karbona, devona un ordovika iežu, kas saturēja raksturīgas fosīlijas, kā arī pirmskembrija iežu precīzu datēšanu pēc urāna-svina metodes. 1910. gadā A. Holmss aizstāvēja bakalaura darbu “Svina un urāna asociācija iežu veidojošos minerālos, un tās izmantošana ģeoloģiskā laika aprēķiniem” (The association of lead with uranium in rock-minerals, and its application to the measurement of geological time, 1911), kurā pirmo reizi līdz tam tikai pēc fosīlijām relatīvi noteikta ģeoloģiskā vecuma ieži salīdzināti ar radiometriski noteiktu vecumu gados. A. Holmss precīzi noteica, ka karbona ieži ir 340 miljonus gadu veci, devona – 370, ordovika – 430, bet pirmskembrija iežu paraugs – kā 1,025 līdz 1,64 miljardus gadu vecs. A. Holmss publicēja plaši pazīstamu grāmatu “Zemes vecums” (The Age of the Earth, 1913), kurā pamatoja precīzākus radiometrijas datējumus ģeoloģiskā vecuma noskaidrošanai, salīdzinot ar metodēm, kas izmanto sedimentācijas ātrumu vai Zemes atdzišanas tempus. 1927. gadā A. Holmss savā pētījumā precizēja senāko arhaja iežu vecumu no 1,6 līdz 3,0 miljardiem gadu, bet 20. gs. 40. gadu sākumā, balstoties uz amerikāņu zinātnieka Alfreda Nīra (Alfred Otto Carl Nier) urāna izotopu aprēķinātajām relatīvām attiecībām, palielināja to līdz 4,5±0,1 miljardiem gadu. Mūsdienās šī metode pazīstama kā Holmsa-Houtermana modelis. Vācu atomfiziķis un kodolfiziķis Frīdrihs Houtermans (Friedrich Georg “Fritz” Houtermans) publicēja nozīmīgu darbu par urāna sabrukšanas ķēdēm “Izotopu daudzums dabiskajā svinā un urāna vecums” (Die Izotopenhäufigkeiten in natürlischen Blei und da Alter des Urans, 1946). Kanādiešu ģeohronologs Tomass Krovs (Thomas Edvard Krogh) būtiski uzlaboja urāna-svina metodes procedūras un metodoloģiju, kuras kļuvušas par starptautisku standartu. 1946. gadā amerikāņu fizikālās ķīmijas pārstāvis Vilārds Libijs (Willard Libby) ieviesa radioaktīvā oglekļa metodi, ko drīz sāka plaši lietot arheoloģijā un kvartārģeoloģijā. Par darbu “Atmosfēras hēlijs trīs un radioaktīvais ogleklis no kosmiskās radiācijas” (Atmospheric helium three and radiocarbon from cosmic radiation, 1946) V. Libijs 1960. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.

Vairāk nekā simts gados kopš ģeohronoloģijas rašanās veikti vairāki simti tūkstoši līdz daži miljoni radiometrijas analīžu. Pēc stāvokļa līdz 2016. gadam ir noteikts četru eonotēmu, 10 eratēmu, 22 sistēmu, 34 nodaļu un 99 stāvu robežu vecums, kas rada iespēju precīzi noteikt dažādu Zemes vēstures notikumu secību un vecumu. Izmantojot radioaktīvā oglekļa metodi, 21. gs. uzlabotas zināšanās par notikumiem pēdējo 50 000–60 000 gadu laikā, arī par pēdējā apledojuma un deglaciācijas gaitu un ar arheoloģiju un kultūrvēsturi saistītiem jautājumiem.

Viens no lielākiem ģeohronoloģisko pētījumu institūtiem ir Bērklijas ģeohronoloģijas centrs (Berkeley Geochronology Center) Amerikas Savienotu Valstu (ASV) Kalifornijas pavalstī, kas veic dažādu Zemes un Mēness iežu, cilvēku un citu dzīvnieku fosīlo atlieku, vulkānisko pelnu un meteorītu datēšanu. Toronto Universitātes Džeka Saterlija ģeohronoloģijas laboratorijā (The Jack Satterly Geochronology Laboratory, University of Toronto) veic iežu datēšanu pēc tās ilggadējā vadītāja T. Krova izstrādātās urāna-svina radiometrijas metodikas. Vollongongas Universitātes Vollongongas izotopu ģeohronoloģijas laboratorijā Austrālijā (The Wollongong Isotope Geochronology Laboratory (WIGL), University of Wollongong) lieto izotopu un ģeoķīmijas metodes ģeoloģisko un bioloģisko procesu pētījumos, lai skaidrotu kvartāra un agrīnās Zemes vēstures stadiju vides apstākļus. Izotopu un ģeoķīmijas metodes lieto arī arheoloģijas un biomedicīnas vajadzībām, piemēram, pētot ledāju vēsturi un seno cilvēku ēdienkarti. Londonas Universitātes Zemes un planētu zinātņu institūta Londonas ģeohronoloģijas centrs (The London Geochronology Centre, Institute of Earth and Planetary Science, University of London) pēta kontinentu deformāciju un virsmas vēsturi, analizējot iežu vecumu kalnu grēdās dažādās pasaules vietās. Pēc datiem līdz 2016. gadam pasaulē reģistrētas 140 radioaktīvā oglekļa datēšanas laboratorijas, tajā skaitā divas laboratorijas Igaunijā – Tallinas tehnoloģiju universitātes Ģeoloģijas institūta Radioaktīvā oglekļa datēšanas laboratorija (Tallinn Tehnikaülikool, Geoloogia Instituut, Radiosüsiniku dateerimise labor) un Tartu Universitātes Ekoloģijas un Zemes zinātņu institūta Radioaktīvā oglekļa datēšanas laboratorija (Tartu Ülikool, Institute of Ecology and Earth Sciences, Radiosüsiniku dateerimise labor), kā arī pa vienai Lietuvā, Baltkrievijā un Somijā: Lietuvas Ģeoloģijas un ģeogrāfijas institūta Kodolenerģijas ģeofizikas un radioekoloģijas laboratorija (Branduolinės geofizikos ir radioekologijos laboratorija, Lietuvos Geologijos ir geografijos institutas), Baltkrievijas Nacionālās zinātņu akadēmijas Ģeoķīmijas un ģeofizikas institūta laboratorija un Helsinku Universitātes Somijas izotopu ģeoloģijas laboratorija (Suomen isotooppigeologian laboratorion, Helsingin Yliopisto).

Journal of Geophysical Research (ASV, kopš 1896), International Journal of Earth Sciences, Geologische Rundschau (Vācija, kopš 1910), Geochimica et Cosmochimica Acta (izdevējs Elsevier, kopš 1950), Canadian Journal of Earth Sciences (Kanāda, kopš 1964), Earth and Planetary Science Letters (izdevējs Elsevier, kopš 1966), Quaternary Geochronology (izdevējs Elsevier, kopš 2006).

Par ģeohronoloģijas pamatlicēju uzskata britu ģeologu A. Holmsu, kas pēc urāna un svina satura pirmais precīzi noteica dažādu iežu ģeoloģisko vecumu. F. Houtermans, kurš pazīstams pēc ieguldījuma ģeoķīmijā un kosmosa ķīmijā, noteica dažādu izotopu saturu dabā sastopamajā svinā un precizēja urānu saturošo iežu vecumu. A. Nīrs ir viens no masas spektrometrijas ieviesējiem. Viņš pirmais aprēķināja dažādu urāna izotopu skaitliskās attiecības. 1938. gadā A. Nīrs atklāja radiogēno argonu-40 un ieviesa kālija-argona radiometrijas metodi, kas mūsdienās ir viena no visplašāk lietotajām datēšanas metodēm. T. Krovs izstrādāja urāna-svina datēšanas metodes mūsdienu metodoloģiju. V. Libijs ieviesa radioaktīvā oglekļa datēšanu. Angļu ķīmiķis, viens no kosmosa ķīmijas pamatlicējiem Grenvils Tērners (Grenville Turner) 20. gs. 60. gadu sākumā ieviesa argona-argona radiometrijas metodi un noskaidroja meteorītu un Mēness iežu lielo vecumu. Par vienu no ģeohronoloģijas pamatlicējiem uzskata arī zviedru ģeologu Gerārdu Dejēru (Gerard Jacob De Geer), kas 19. gs. beigās skaitīja mālu kārtiņas (varves) ledāja kušanas ūdeņu nogulumos – slokšņu mālos Zviedrijā un attīstīja varvometrijas metodi.