Petroloģija ir zinātne par iežu minerālo un ķīmisko sastāvu, uzbūvi (struktūru un tekstūru), īpašībām, ieguluma apstākļiem, fizikāli ķīmiskajiem veidošanās apstākļiem, izmaiņām dažādu faktoru ietekmē, izplatības likumsakarībām telpā un laikā gan uz Zemes, gan kosmosā. Petroloģija nodarbojas ar iežu klasifikāciju un nomenklatūru, risina dažādus iežu izmantošanas aspektus.

Daži pētnieki, piemēram, amerikāņu mineralogs Frenks Fričs Grouts (Frank Fritch Grout) dala divus dažādus virzienus: petrogrāfiju, kura ietver tikai iežu aprakstošo daļu, un petroloģiju, kuras izpētes objekts ir iežu veidošanās apstākļi. Lielākā daļa ģeologu šos terminus uzskata par sinonīmiem, jo jebkurā zinātnē aprakstošā daļa nevar būt atdalīta no ģenētiskajām interpretācijām. Petroloģija jeb petrogrāfija sākotnēji aptvēra visu iežu izpēti, bet, uzkrājoties plašākai informācijai tieši par veidošanās apstākļiem, kā patstāvīga zinātne tika atdalīta mācība par nogulumiežiem – sedimentoloģija jeb litoloģija. Tādēļ daļa zinātnieku ar petroloģiju saprot mācību par magmatiskajiem un metamorfajiem iežiem. Mūsdienās termins “petroloģija” un senāk galvenokārt Vācijā un Krievijā plaši lietotais termins “petrogrāfija” uzskatāmi par sinonīmiem. 

Petroloģijas galvenais pētījumu objekts iezis ir noteikta sastāva un uzbūves minerālagregāts, kas radies ģeoloģiskajos procesos un veido patstāvīgu ķermeni. Pēc izcelsmes ieži tiek dalīti trijos ģenētiskajos tipos: magmatiskajos iežos, kas rodas, kristalizējoties sarežģītam dabiskam silikātu kausējumam – magmai; nogulumiežos, kas veidojas virszemes apstākļos no citu iežu sabrukšanas produktiem; metamorfajos iežos, kad Zemes garozā ieži pārkristalizējas, pielāgojoties fizikāli ķīmisko apstākļu izmaiņām. Visi iežu ģenētiskie tipi ir savstarpēji saistīti ar pārejas tipa iežiem. Petroloģija pēta arī iežus no kosmosa, tehnogēnas izcelsmes produktus un visu, kas ir saistīts ar iežiem.

Petroloģijas dati papildina arī citu ģeoloģijas apakšnozaru pētījumus, piemēram, derīgo izrakteņu ģeoloģijas, jo derīgie izrakteņi vienmēr ir saistīti ar noteiktu iežu tipu, nereti paši ieži ir derīgie izrakteņi. Ķīmisko elementu migrācija un koncentrēšanās iežos, veidojot derīgo izrakteņu atradnes, nav nejauša, bet pakļauta likumsakarībām, ko nosaka ķīmisko elementu īpašības. Ieži ietver dažādus derīgos izrakteņus: gan rūdu (dzelzs (Fe), niķelis (Ni), zelts (Au), polimetāli, retzemju elementi u. c.), gan nerūdu (sērs (S), grafīts (C), dārgakmeņi u. c.), dzeramos un minerālos ūdeņus, naftu un gāzi. Daudzi ieži tiek izmantoti kā apdares un dekoratīvais materiāls vai būvmateriāls, izmantoti kā kolektori, piemēram, pazemes gāzes krātuvju ierīkošanai. Kalnrūpniecībā derīgo izrakteņu ieguves procesā nepieciešama rūdu kvalitātes kontrole. Ieži ir dažādas nozīmes un sarežģītības pakāpes būvju pamats, tādēļ ir svarīgi zināt ne tikai to fizikāli mehāniskās īpašības, bet arī izprast ģeoloģisko situāciju, ko skaidro petroloģija. Eksperimentālās petroloģijas pētījumi ir būtiski Zemes iekšējās uzbūves un daudzu ģeoloģisko procesu izpratnei. Tie palīdz arī praktiskos jautājumos, piemēram, petrurģijā (akmens liešanā).

Petrologi strādā zinātniskās pētniecības iestādēs, ģeoloģiskajos dienestos, kalnrūpniecībā, izejvielu un materiālu industrijā, risina inženierģeoloģiskus jautājumus celtniecības projektēšanas organizācijās un citur.

Daudzi petroloģijas jautājumi nav atrisināmi bez zināšanām ķīmijā, fizikā, fizikālajā ķīmijā, termodinamikā u. c. precīzajās zinātnēs. Tā ir cieši saistīta ar citām ģeoloģijas apakšnozarēm: mineraloģiju, vispārīgo ģeoloģiju, stratigrāfiju, tektoniku, derīgo izrakteņu ģeoloģiju, ģeofiziku, ģeoķīmiju, inženierģeoloģiju, arī ar augsnes zinātni un okeanoloģiju.

Pēc izpētes objekta dala magmatisko iežu, metamorfo iežu un nogulumiežu petroloģiju, kura ir izveidojusies kā patstāvīga zinātne sedimentoloģija. Ir arī ogļu petroloģija – zinātne par ogļu sastāvu, uzbūvi, ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām, petrogrāfiskajiem tipiem un to izcelsmi. Tehniskā akmens petroloģija radās 20. gs. pirmajā pusē un nodarbojas ar tādu tehnisko produktu un procesu pētniecību, kas saistīti ar metalurģijas izdedžiem, porcelānu, cementu, stiklu, keramiku, akmens lējumiem. Arvien plašāk attīstās kosmiskā petroloģija, kuras ietvaros kā patstāvīga joma ir izveidojusies meteorītika.

Pēc pētniecības metodēm var dalīt analītisko, teorētisko un eksperimentālo petroloģiju, kuras modelē iežu veidošanās procesus. Eksperimentālā petroloģija ir laboratorijas pētījumu joma, kuras mērķis ir noskaidrot fizikālās un ķīmiskās likumsakarības, kas nosaka minerālu un iežu kausējumu kristalizācijas un pārveidošanās likumsakarības. Pētījumi notiek augstā temperatūrā un lielā spiedienā, ko iegūst speciālās iekārtās.

Pēc pētāmo īpašību rakstura svarīgākie petroloģijas virzieni ir petroķīmija, petrofizika un petrotektonika. Petroķīmija vispusīgi pēta iežu ķīmisko sastāvu un ķīmiskos procesus to veidošanās laikā. Tā ļauj spriest par iežu veidošanās termodinamiskajiem apstākļiem un pēc elementu izvietojuma minerālos un iežos noteikt metalogēnisko specializāciju, kā arī izstrādāt iežu klasifikācijas un ķīmiskās formulas. Šiem nolūkiem tiek veidotas petroķīmiskās diagrammas. Petroķīmijas jēdzienu zinātnē ieviesa krievu zinātnieks Aleksandrs Zavarickis (Александр Никола́евич Заварицкий) 1944. gadā. Petrofizika nosaka iežu fizikālās īpašības. Tās nozīme arvien pieaug pareizai ģeofizikas, galvenokārt seismisko, datu interpretācijai un lietošanai ģeoloģiski tektoniskiem slēdzieniem. Petrotektonika ar mikrostruktūranalīzes metodi pēta deformētu iežu orientēto struktūru likumsakarīgo saistību ar reģiona tektonisko vēsturi, kā arī izmanto ģeofizikas metodes telpisku ģeoloģisko ķermeņu pētījumiem.

Iežu pētījumi ietver iežu ģeoloģiskos pētījumus lauka apstākļos, laboratorijas pētījumus, eksperimentus un teorētiskos vispārinājumus. Pie ģeoloģiskajām metodēm, ko galvenokārt veic ar lupas un ģeoloģiskā kompasa palīdzību, bez iežu makroskopiskā raksturojuma pieder iežu ieguluma un savstarpējo attiecību skaidrojums, arī paraugu noņemšana laboratorijas pētījumiem. Svarīgi ir kompleksi ģeoloģiski ģeofizikālie pētījumi, kas skaidro Zemes garozas dziļāko daļu uzbūvi. Laboratorijas metožu klāsts ir plašs un atkarīgs no pētāmā ieža īpašībām un izvirzītajiem uzdevumiem. Parasti izmanto mineraloģiskās un ģeoķīmiskās metodes. Svarīgākais iežu plānslīpējumu petroloģisko pētījumu instruments ir polarizācijas mikroskops, arī Fjodorova galdiņš, kas ļauj telpiski pagriezt plānslīpējumu, līdz ar to ļoti precīzi noteikt minerālu optiskās īpašības. Iežu sastāva noteikšanai plaši izmanto ķīmisko analīzi, arī rentgendifrakcijas metodes un mikrozondes analīzi, kas ir īpaši nozīmīgas slēptkristālisku, stiklainu un sīkdispersu iežu pētījumiem. Dažiem nogulumiežiem nepieciešama granulometriskā analīze, bieži kopā ar minerālā sastāva noteikšanu, citiem – fosiliju noteikšana vai krāsošana. Arvien plašāku lietojumu iegūst spektrālās, radioloģiskās un fizikāli mehānisko īpašību izpētes metodes. Viena no ģeoķīmisko datu petroloģiskajām interpretācijas metodēm ir ģeotermobarometrija, kas norāda spiediena un temperatūras apstākļus, pie kādiem veidojies vai metamorfizējies iezis. Hipotēzes par iežu rašanos un pārvērtībām var pārbaudīt laboratorijā dažāda veida simulācijās. Eksperimentālajos pētījumos tiek radītas mākslīgas magmas un novērota to kristalizācija vai arī ieži tiek pakļauti kontaktam ar agresīviem šķīdumiem un gāzēm, kas līdzinās dabā sastopamajiem. Pēc tam tiek veikta datormodelēšana.

Ieži cilvēku uzmanību piesaistīja jau senatnē, bet tikai 16. gs. vācu zinātnieks Georgijs Agrikola (Georgius Agricola) 10 sējumu enciklopēdiskajā darbā par minerāliem un iežiem “Par fosīlijām” (De natura fossilium, 1546), kas ietvēra tā laika zināšanas mineraloģijā un ģeoloģijā, norādīja, ka ieži no minerāliem atšķiras pēc neviendabīgā sastāva un minerālus no iežiem var izdalīt mehāniski. 18. gs. iežu pētniecībā bija vērojams progress. Uzkrātais faktu materiāls veicināja iežu klasificēšanu. Pirmo iežu klasifikāciju darbā “Dabas sistēma” (Systema naturae, 1753–1768) 12 izdevumos mēģināja izstrādāt zviedru dabaszinātnieks Kārlis Linnejs (Carl von Linné), piedāvājot iežus dalīt humozos, kaļķainos, mālainos, smilšainos un agregētos iežos, kas ietvēra granītus, gneisus u. c. iežus ar izteiktu struktūru. 1786. gadā vācu ģeologs Ābrahams Gotlobs Verners (Abraham Gottlob Werner) izstrādāja citādu iežu klasifikāciju, dalot tos pēc ģeoloģiskā vecuma: primārajos, pārejas, slāņu, aluviālajos un vulkāniskajos iežos; viņš uzsvēra, ka ieži jāapraksta un jāatšķir pēc sastāva, struktūras, ieguluma apstākļiem un izcelsmes. Par bazaltu un granītu veidošanos īpaša diskusija izveidojās starp “plutonistiem”, kas iežu rašanos skaidroja ar karstuma jeb uguns iedarbību, un “neptūnistiem”, kas iežu veidošanos saistīja ar ūdens vidi, 19. gs. sākumā veicinot iežu pētījumus. Jau 18. gs. beigās tika veikti eksperimenti bazaltu kausēšanā, kas parādīja iežu struktūras atkarību no kausējuma atdzišanas apstākļiem. 19. gs. pirmajā pusē zinātnieki Francijā, vācu valstīs un Krievijā, vēlāk arī Anglijā un Amerikā veica nozīmīgus iežu fizikālus un ķīmiskus pētījumus, veidoja jaunas klasifikācijas; uzmanību pievērsa arī terminoloģijai. Skotu zinātnieks Džeimss Hatons (James Hutton) norādīja, ka bez magmatiskajiem un nogulumiežiem eksistē arī metamorfie ieži, kuri rodas “Zemes iekšējā karstuma” rezultātā. Tādējādi mācība par iežiem, kas radās 18. gs. beigās, 19. gs. vidū jau bija izveidojusies par patstāvīgu zinātni petrogrāfiju, ietverot arī mācību par metamorfajiem iežiem, bet literatūrā līdztekus terminam “petrogrāfija” sāka lietot arī terminu ”petroloģija”.

19. gs. vidū, iežu pētījumos lietojot polarizācijas mikroskopu, petrogrāfijā sākās aprakstošais (fiziogrāfiskais) periods. Uzkrājās apjomīgs faktu materiāls par iežu sastāvu un uzbūvi. Par šī perioda sākumu tiek uzskatīts 1858. gads, kad angļu zinātnieks Henrijs Sorbijs (Henry Clifton Sorby) izdeva darbu “Par kristālu mikroskopisko struktūru saistībā ar minerālu un iežu izcelsmi” (On the microscopical structure of crystal indicating the origin of minerals and rocks), kas bija veltīts mikroskopijai. Plaši mikroskopu sāka lietot tikai pēc 1869. gada, kad iznāca vācu zinātnieka Ferdinanda Cirkela (Ferdinand Zirkel) darbs “Pētījumi par bazaltu mikroskopisko sastāvu un struktūru” (Untersuchungen ȕuber die mikroskopische Zusammensetzung und Struktur der Basaltgesteine), kas uzskatāmi parādīja mikroskopiskās metodes priekšrocības sīkkristālisku iežu pētījumos. Pirmo petrogrāfijas mācību grāmatu 1866. gadā sarakstīja F. Cirkels, bet 1867. gada Krievijā pirmos iežu aprakstus, izmantojot mikroskopu, publicēja Aleksandrs Inostrancevs (Александр Александрович Иностранцев). 1873. gadā Vācijā tika izdots nozīmīgs Heinriha Rozenbuša (Heinrich/Harry Rosenbusch) darbs mikroskopijā “Petrogrāfiski nozīmīgu minerālu mikroskopiskā fiziogrāfija” (Mikroskopische Physiographie der petrographisch wichtigen Mineralisen), kas lika pamatus iežu sistemātikai. Paralēli pilnveidojās kristāloptiskās izpētes metodes, kuru attīstībā būtisks ir krievu zinātnieka Jevgrafa Fjodorova (Евграф Степанович Фëдоров) ieguldījums. Viņš konstruēja ierīci minerālu optisko konstantu noteikšanai, ko nosauca par Fjodorova galdiņu. 19.–20. gs. mijā attīstījās arī vairāki citi pētījumu virzieni; nozīmīgākie kļuva ķīmiskie, fizikālie un eksperimentālie pētījumi. Petroķīmijas attīstībā būtisks ir krievu petrogrāfa Franča Levinsona-Lessinga (Франц Ю́льевич Левинсон-Лессинг) devums, kurš 1897. gadā radīja arī mūsdienās lietoto magmatisko iežu klasifikāciju pēc to ķīmiskā sastāva. Sāka pētīt petrogrāfiskās formācijas un provinces, magmas sastāvu un tās kristalizācijas likumsakarības un metamorfisma procesus.

Tiek uzskatīts, ka 20. gs. 20. gados sākās petrogrāfijas analītiskais periods – petroloģija, jo gadsimtu mijā bija radītas jaunas un pilnveidotas esošās pētījumu metodes. Sāka plaši lietot iežu masīvu struktūrkartēšanu ar mikrostruktūranalīzes metodi, kuru izstrādāja vācu ģeologs Hanss Kloss (Hans Cloos). Izmantojot mikrostruktūranalīzes metodi, var risināt daudzas petroģenētiskas problēmas un noskaidrot praktiskus jautājumus derīgo izrakteņu meklēšanā. Rentgenstruktūranalīze un termiskā analīze deva iespēju pētīt tādus sīkdispersus iežus kā mālus. Īpašu nozīmi ieguva eksperimenti, kas ļāva modelēt Zemes dzīlēs notiekošos procesus. Ķīmiskajos pētījumos centās noskaidrot magmatisko iežu ķīmiskā sastāva izmaiņu likumsakarības, primāro magmu sastāvu un to evolūcijas gaitu. Magmu pētījumos lielu ieguldījumu deva Normans Bovens (Norman Levi Bowen) ar kolēģiem Kārnegija zinātniskās pētniecības institūtā Vašingtonā (Carnegie Institution for Science), Ģeofizikas laboratorijā, iegūstot nozīmīgus datus par daudzkomponentu silikātu sistēmu kristalizāciju. Tika pilnveidota arī iežu ķīmisko analīžu pārrēķinu metodika. Inženierģeoloģiskie un ģeofizikālie pētījumi veicināja iežu fizikāli mehānisko īpašību pētījumus un radīja jaunu petroloģijas virzienu – petrofiziku. 20. gs. otrajā pusē tika veikti vairāki fundamentāli pētījumi par iežu fizikāli mehānisko īpašību, sastāva un uzbūves savstarpējo saistību. Attīstījās mācība par magmatisko formāciju rašanos, kas ļauj aplūkot magmatisko iežu veidošanos saistībā ar Zemes tektoniku. Petroloģijas attīstībā vairāk uzmanības ir veltīts tieši magmatiskajiem iežiem. Metamorfo iežu pētniecība bija mazāk aktuāla, līdz 1915. gadā somu zinātnieks Penti Eskola (Pentti Eelis Eskola) formulēja metamorfo fāciju principu, kas ir mūsdienu metamorfo iežu klasifikācijas pamatā. Speciālu laboratorijas metožu izstrāde un lietojums nogulumiežu izpētē veicināja teorētisku vispārinājumu rašanos par svarīgākajām nogulumiežu veidošanās likumsakarībām, kas 20. gs. sākumā ļāva izveidoties patstāvīgai zinātnei litoloģijai jeb sedimentoloģijai. Tas sakrita ar franču ģeologa Lisjēna Kejē (Lucien Cayeux) monogrāfijas “Ievads nogulumiežu petrogrāfiskajos pētījumos” (Introduction à I’étude pétrographique des roches sédimentaires, 1916) izdošanu un pirmo speciālo nogulumiežu petrogrāfijas kursu izveidi augstskolās.

Mūsdienu petroloģija turpina 20. gs. aizsāktos pētījumus, galvenokārt uzmanību arvien veltot magmatiskajiem iežiem un tajos notiekošajiem procesiem. Turpina attīstīties mācība par magmatiskajām formācijām un metamorfajām fācijām un to saistību ar tektoniskajiem apstākļiem. Metamorfo iežu pētījumos tiek skaidrota elementu migrācija Zemes garozā un ar to saistītie metasomatozes procesi. Eksperimentālie un teorētiskie magmatisko kausējumu kristalizācijas un rašanās pētījumi vērsti uz arvien lielākiem Zemes dziļumiem. Kā viens no svarīgākajiem jautājumiem joprojām ir granītu izcelsme. Petroloģijai ir liela teorētiska un praktiska nozīme daudzu jaunu derīgo izrakteņu meklēšanā un izmantošanā, it īpaši saistībā ar sārmainajiem magmatiskajiem iežiem. Pieaug tehniskās petroloģijas nozīme, jo tirgū ienāk arvien vairāk jaunu akmens materiālu aizstājēju un industriālajos procesos rodas materiāli, kuru izpētei izmanto petrogrāfiskās metodes.

Petroloģiskus pētījumus veic specializētas pētniecības iestādes, ģeoloģijas dienestu laboratorijas, augstskolu katedras. Kopš 1952. gada darbojas Starptautiskā sedimentologu asociācija (International Association of Sedimentologists, IAS), kas apvieno biedrus no apmēram 100 valstīm. 

Journal of Petrology (kopš 1960. gada, izdevējs Oxford Journals, Oxford University Press), Journal of Metamorphic Geology (kopš 1983. gada, izdevējs John Wiley & Sons), Petrology (kopš 1992. gada, izdevējs Springer), Journal of Sedimentary Petrology (kopš 1931. gada, izdevējs Society of Economic Paleontologists and Mineralogists; Society for Sedimentary Geology), Sedimentology (kopš 1962. gada, izdevējs International Association of Sedimentologists).