Nozares teorijas Ķīmiskos elementus grupē atbilstoši to uzvedībai ģeoķīmiskajās pārvērtībās un sadalījumam Zemes kodolā, mantijā, garozā, hidrosfērā un atmosfērā.
Pirmo ģeoķīmisko elementu klasifikāciju 20. gs. sākumā izstrādāja norvēģu ģeoķīmiķis Viktors Goldšmits (Victor Moritz Goldschmidt), dalot visus ķīmiskos elementus četrās grupās, kas atspoguļo to izplatību. Atmofīlie elementi – ūdeņradis (H), slāpeklis (N), ogleklis (C) un cēlgāzes – koncentrējas Zemes atmosfērā un hidrosfērā. Litofīlie elementi – silīcijs (Si), skābeklis (O), alumīnijs (Al), sārmu un sārmzemju metāli, daudzi pārejas grupas metāli – veido Zemes garozas silikātu iežu pamatmasu vai ir sastopami kā piejaukumi tajos. Halkofīlie elementi – sērs (S), varš (Cu), cinks (Zn), gallijs (Ga), germānijs (Ge) – veido sulfīdu minerālus, piemēram, kā sfalerīts (cinka sulfīds, kurā gandrīz vienmēr daļa cinka atomu ir aizstāti ar dzelzs atomiem, (Zn, Fe)S). Siderofīlie elementi – dzelzs (Fe), kobalts (Co), niķelis (Ni), platīna grupas elementi un zelts (Au), daļēji arī fosfors (P) – veido metālisko, tīrradņu fāzi.
V. Goldšmita klasifikācijas ķīmisko elementu grupas atspoguļo meteorītu sastāvu, kur litofīlie elementi veido akmens (silikātu) fāzi, halkofīlie elementi – sulfīdu (triolītu) fāzi un siderofīlie elementi atrodami dzelzs meteorītos. Klasifikācija atspoguļo arī ķīmisko elementu dalījumu galvenajās Zemes daļās (kodolā, mantijā, garozā, atmosfērā un hidrosfērā). Siderofīlie elementi atrodas Zemes kodolā, ko pamatā veido dzelzs un niķelis. Litofīlie elementi veido Zemes mantiju un garozu, kas sastāv pārsvarā no silikātu minerāliem. Halkofīlie elementi visaugstākajās koncentrācijās atrodami sulfīdu rūdās. Zemes atmosfēru un hidrosfēru viedo atmofīlie elementi. Ir izstrādātas arī citas, detalizētākas ķīmisko elementu ģeoķīmiskās klasifikācijas sistēmas. Piemēram, amerikāņu ģeoķīmiķis Viljams M. Vaits (William M. White) 20.–21. gs. mijā izdalīja deviņas ķīmisko elementu grupas: gaistošie elementi, daļēji gaistošie elementi, dominējošie elementi, pirmās sērijas pārejas grupas metāli, liela lauka spēka elementi (high field strength elements), cēlmetāli, sārmu un sārmzemju metāli, retzemju un līdzīgie elementi un urāna (U) un torija (Th) radioaktīvās sabrukšanas sērijas elementi.
Vairāk nekā 99 % Zemes garozas un mantijas masas viedo tikai astoņi ķīmiskie elementi – skābeklis (O), silīcijs (Si), alumīnijs (Al), dzelzs (Fe), kalcijs (Ca), nātrijs (Na), kālijs (K) un magnijs (Mg). Skābekļa masas daļa Zemes garozā ir 47,0 % un silicija – 29,5 %, tāpēc silikāti (minerāli, ko veido skābekļa un silīcija savienojums ar citiem ķīmiskajiem elementiem) ir izplatītākā minerālu grupa. Pārējie ķīmiskie elementi visbiežāk sastopami cieto šķīdumu veidā pamatelementu veidotajos minerālos. Retāk sastopamie elementi minerālos aizstāj pēc ķīmiskajām īpašībām līdzīgu, biežāk sastopamu elementu atomus. Reti sastopamie elementi, kuru īpašības nelīdzinās nevienam no dominējošiem elementiem, viedo paši savus, aksesoros, minerālus, kas veido niecīgu daļu no ieža kopējās masas.
Zemes garoza veidojas vidusokeānisko grēdu zonās, daļēji kūstot mantijai. Magmā nonāk ķīmiskie elementi, kas viedo vieglāk kūstošos minerālus, kā arī reti sastopamie ķīmiskie elementi, kuru ķīmiskās īpašības būtiski atšķiras no pamatelementu ķīmiskajām īpašībām. Magmai sacietējot, veidojas Zemes garoza, kas, salīdzinājumā ar mantiju, ir bagātināta ar gaistošajiem un nesavietojamiem, reti satopamajiem ķīmiskajiem elementiem.
Ģeoķīmiskais cikls ir secīgu ģeoķīmisko procesu kopums, kurā ķīmiskie elementi pēc migrācijas atgriežas sākuma stāvoklī. Galvenie ģeoķīmiskie cikli ietver vielas apmaiņu starp Zemes garozu un mantiju, t. sk. magmas veidošanos, diferenciāciju un kristalizāciju, vielas transportu tektoniskos un hidrotermālos procesos, iežu dēdēšanu, dēdēšanas produktu pārvietošanu, Zemes atmosfēru, pasaules okeānu, nogulumiežu uzkrāšanos, diaģenēzi un metamorfismu. Ģeoķīmiskos ciklus bieži vizualizē ar rezervuāru un procesu modeļiem. Rezervuāri ir relatīvi homogēnas Zemes daļas, piemēram, atmosfēra, pasaules okeāni, augšējā mantija, biosfēra u. c., kur uzkrājas nozīmīga dotā ķīmiskā elementa vai savienojuma masa. Savukārt ar procesu modeļiem raksturo vielas pārneses ātrumu un mehānismu no viena rezervuāra uz citu.