Lịch sử địa chất của Trái Đất bắt đầu từ khoảng 4,567 tỷ năm trước khi các hành tinh trong Hệ Mặt Trời hình thành từ tinh vân mặt trời, một khối bụi và khí dạng đĩa sau khi Mặt Trời hình thành. Ban đầu, Trái Đất ở dạng nóng chảy, sau đó lớp vỏ bên ngoài của Trái Đất nguội dần và hình thành lớp vỏ rắn khi nước bắt đầu tồn tại trong khí quyển. Mặt Trăng hình thành ngay sau đó, có thể do một vật thể có kích thước gần bằng Sao Hỏa, khoảng 10% khối lượng Trái Đất, gọi là Theia, va chạm vào Trái Đất. Phần lớn của vật thể này đã hòa nhập vào Trái Đất và một phần bị bắn ra không gian, nhưng vật liệu đủ để hình thành một vệ tinh quay quanh Trái Đất.
Hoạt động núi lửa và thải khí góp phần tạo thành khí quyển nguyên thủy. Hơi nước rải rác lại được gia tăng bởi sao chổi và tạo thành các đại dương.
Bề mặt Trái Đất liên tục biến đổi qua hàng triệu năm với sự hình thành và phân tách lục địa. Các lục địa di chuyển, đôi khi giao nhau để tạo thành siêu lục địa. Khoảng 750 triệu năm trước, siêu lục địa đầu tiên, Rodinia, đã bắt đầu phân tách. Sau đó các lục địa lại hợp nhất thành Pannotia từ 600–540 Ma trước, và cuối cùng là Pangaea cách đây 180 Ma.
Mô hình kỷ băng hà hiện đại bắt đầu từ khoảng 40 Ma trước, sau đó trở nên mạnh mẽ hơn trong suốt kỷ Pleistocen từ khoảng 3 Ma trước. Các khu vực cực đã trải qua nhiều chu kỳ băng hà và tan băng mỗi 40.000–100.000 năm. Thời kỳ băng hà trong kỷ băng hà hiện tại kết thúc cách đây khoảng 10.000 năm.
Lịch sử địa chất của Trái Đất có thể chia thành hai giai đoạn chính: Tiền Cambri và Hiển Sinh.
Thời kỳ Tiền Cambri
Thời kỳ tiền Cambri chiếm khoảng 90% thời kỳ địa chất, kéo dài từ cách đây 4,6 tỉ năm đến đầu kỷ Cambri (khoảng 570 triệu năm trước) và bao gồm 3 giai đoạn: Hỏa thành, Thái cổ và Nguyên sinh.
Giai đoạn Hỏa Thành
Trong suốt giai đoạn Hỏa Thành (4,6–3,8 tỉ năm trước), trong quá trình hình thành Hệ Mặt Trời, có thể có một đám mây bụi và khí lớn xung quanh Mặt Trời, gọi là đĩa tiểu hành tinh. Giai đoạn Hỏa Thành không được công nhận rộng rãi, nhưng nó chủ yếu đánh dấu thời kỳ trước khi có bất kỳ hành tinh nào hình thành. Việc xác định tuổi của viên đá zircon cổ nhất có khoảng 4400 triệu năm trước - gần với thời điểm giả thuyết về hình thành Trái Đất.
Trong suốt thời kỳ này, có một sự kiện dọi bom mạnh mẽ cuối cùng (khoảng từ 3.800 đến 4.100 triệu năm trước) trong khi nhiều hố thiên thạch lớn được cho là hình thành trên Mặt Trăng, và có ảnh hưởng đến Trái Đất, Sao Thủy, Sao Kim và Sao Hỏa.
Giai đoạn Thái cổ
Trong giai đoạn sớm Archean (3,8-2,5 tỉ năm trước), Trái Đất có thể đã có bố cục khác so với ngày nay. Trong thời gian này, vỏ Trái Đất lạnh dần và hình thành các lục địa và các mảng đá. Các nhà khoa học cho rằng sự nóng của Trái Đất và hoạt động kiến tạo mạnh mẽ hơn so với hiện tại làm tốc độ hút chìm vật liệu vào manti nhanh hơn. Điều này có thể ngăn chặn sự hình thành của các lục địa cho đến khi manti nguội lại và quá trình đối lưu giảm đi. Các tranh luận khác cho rằng manti quá dày để bị hút chìm và thiếu các đá Archean để bào mòn và hoạt động kiến tạo.
Trái ngược với Proterozoic, các đá Archean thường là các trầm tích nước sâu biến chất mạnh, như đá graywacke, đá bùn, trầm tích núi lửa và thành hệ sắt dải. Greenstone belt là những hệ tầng đặc trưng của Archean bao gồm sự xen kẽ giữa các đá biến chất cấp cao và thấp. Đá biến chất cấp cao có nguồn gốc từ núi lửa cổ, trong khi đá biến chất cấp thấp là kết quả của bào mòn trầm tích biển sâu từ các núi lửa xung quanh và chất tụ trong bồn trước núi lửa.
Giai đoạn Nguyên sinh
Các dấu vết địa chất của giai đoạn Nguyên Sinh đáng tin cậy hơn nhiều so với giai đoạn Thái cổ trước đó. Giai đoạn Nguyên sinh được đặc trưng bởi các lớp địa tầng biển thềm lục địa rộng lớn; hơn nữa, hầu hết các loại đá này ít bị biến chất hơn so với các loại đá trong giai đoạn Thái cổ. Nghiên cứu về các loại đá này chỉ ra rằng đặc điểm quan trọng của giai đoạn này là sự phát triển nhanh chóng và quy mô lớn của lục địa (là duy nhất trong giai đoạn Nguyên sinh), các chu kỳ siêu lục địa và các hoạt động kiến tạo tương tự như hiện tại.
Các sự kiện liên quan đến sự băng hà đã bắt đầu xảy ra trong giai đoạn Nguyên Sinh; trong đó, một số đã diễn ra ngay sau khi giai đoạn này bắt đầu, và ít nhất có 4 sự kiện như vậy xảy ra trong giai đoạn Tân Nguyên Sinh, đỉnh điểm là 'quả cầu tuyết Trái Đất' của băng hà Varangia.
Giai đoạn Hiển sinh
Trong thời kỳ này, các lục địa dường như trôi dạt lại gần nhau, sau đó hội tụ lại để tạo thành một khối đất duy nhất được gọi là Pangaea, trước khi sau đó chia tách thành các lục địa hiện nay. Giai đoạn Hiển sinh được phân thành ba thời kỳ — Cổ Sinh, Trung Sinh và Tân Sinh.
Thời kỳ Cổ Sinh
Thời kỳ Cổ Sinh kéo dài từ khoảng 542 triệu năm trước đến khoảng 251 triệu năm trước, được chia thành 6 kỷ. Thời kỳ Cổ Sinh bắt đầu khi siêu lục địa gọi là Rodinia phân tách và kết thúc với sự kiện băng hà toàn cầu. (Xem sự kiện đóng băng Varanger và quả cầu tuyết Trái Đất). Đầu giai đoạn này, các khối đất trên Trái Đất bị chia nhỏ thành các lục địa nhỏ. Cuối giai đoạn, các lục địa hội tụ lại thành một siêu lục địa mới gọi là Pangea, bao gồm hầu hết diện tích đất liền của Trái Đất.
Thời kỳ Cambri
Thời kỳ Cambri là một giai đoạn trong niên đại địa chất bắt đầu vào khoảng 542 ± 1,0 triệu năm trước. Các lục địa trong thời kỳ Cambri được hình thành do sự vỡ ra của siêu lục địa trong giai đoạn Tân Nguyên Sinh, gọi là Pannotia. Nước biển trong thời kỳ này rộng mở và nông. Gondwana vẫn là siêu lục địa lớn nhất sau khi Pannotia tan rã. Khí hậu trong thời kỳ Cambri được cho là ấm hơn đáng kể so với thời kỳ trước đó, khi Trái Đất trải qua các thời kỳ băng hà mạnh như sự kiện đóng băng Varanger (kỷ Thành băng). Không có sự đóng băng nào xảy ra ở hai cực. Tỷ lệ trôi dạt của các lục địa trong thời kỳ Cambri có thể là không thường xuyên. Laurentia, Baltica và Siberia vẫn là các lục địa độc lập kể từ khi Pannotia tan rã. Gondwana bắt đầu dịch chuyển về phía Nam. Panthalassa phủ lấp hầu hết Nam bán cầu, với các đại dương nhỏ bao gồm Proto-Tethys, Iapetus và Khanty, mở rộng trong giai đoạn này.
Thời kỳ Ordovic
Thời kỳ Ordovic bắt đầu vào thời điểm xảy ra sự kiện tuyệt chủng Cambri-Ordovic vào khoảng 488,3 ± 1,7 triệu năm trước. Mực nước biển trong thời kỳ Ordovic khá cao; trong thế Tremadoc, biển lấn đất liền mạnh nhất với các bằng chứng rõ ràng trong các lớp đá.
Trong thời kỳ này, các lục địa phía Nam đã hợp lại thành một siêu lục địa duy nhất được gọi là Gondwana. Vào đầu thời kỳ Ordovic, Gondwana nằm gần xích đạo và dần dần di chuyển về phía Nam cực. Thời kỳ Tiền Ordovic được cho là ấm, ít nhất là ở các vĩ độ nhiệt đới. Giống như Bắc Mỹ và châu Âu, Gondwana chủ yếu bị biển nông bao phủ trong suốt thời kỳ Ordovic. Các vùng biển sâu và nông trên các thềm lục địa đã tạo điều kiện cho sự phát triển của các nhóm sinh vật có khả năng lắng đọng cacbonat calci trong vỏ hay cấu trúc cứng của chúng. Đại dương Panthalassa phủ lấp phần lớn Bắc bán cầu, với các đại dương/biển nhỏ khác như Proto-Tethys, Paleo-Tethys, Khanty (đã đóng lại vào cuối thời kỳ Ordovic), Iapetus và một đại dương mới là Rheic.
Các loại đá trong kỷ Ordovic chủ yếu là đá trầm tích. Do diện tích và cao độ của đất liền hạn chế, hiện tượng xói mòn cũng được hạn chế và do đó các trầm tích biển chủ yếu chứa đá vôi. Các loại đá như đá phiến sét và sa thạch ít hơn.
Phương thức kiến tạo núi chính trong giai đoạn này là sự hình thành núi Taconic, đã diễn ra từ thời kỳ Cambri.
Vào cuối kỷ Ordovic, Gondwana đã dịch chuyển gần đến Nam cực và phần lớn bề mặt của nó đã bị đóng băng.
Thời kỳ Silur
Thời kỳ Silur là một giai đoạn trong niên đại địa chất bắt đầu vào khoảng 443,7 ± 1,5 triệu năm trước.
Kỷ Devon
Kỷ Devon (kỷ Đề-vôn) là một giai đoạn trong niên đại địa chất của Đại Cổ Sinh. Nó được đặt theo tên của vùng Devon, Anh, nơi mà các loại đá thuộc kỷ này được nghiên cứu lần đầu.
Kỷ Cacbon
Kỷ Permi
Đại Trung Sinh
Đại Trung sinh là một giai đoạn tăng cường hoạt động tạo hình. Nó bắt đầu khi tất cả các lục địa trên thế giới hợp nhất thành siêu lục địa gọi là Pangea. Pangea sau đó chia ra thành Laurasia ở phía bắc và Gondwana ở phía nam. Về cuối thời kỳ này, chúng lại chia ra để hình thành hình dạng gần giống như ngày nay. Laurasia trở thành Bắc Mỹ và châu Âu, trong khi Gondwana chia thành Nam Mỹ, châu Phi, Australia, châu Nam Cực và tiểu lục địa Ấn Độ, tiểu lục địa này sau đó va chạm với châu Á để hình thành dãy núi Himalaya.
Đại Trung sinh kéo dài khoảng 186 triệu năm (Ma): từ khoảng 251 triệu năm trước đến khi bắt đầu đại Tân sinh cách đây 65 triệu năm. Khoảng thời gian này được chia thành ba giai đoạn địa chất. Theo thứ tự từ cổ nhất đến trẻ nhất là: kỷ Trias, kỷ Jura và kỷ Creta.
Kỷ Trias
Kỷ Trias hay còn gọi là kỷ Tam Điệp là giai đoạn địa chất kéo dài từ khoảng 200 đến 251 triệu năm trước. Đây là kỷ đầu tiên của Đại Trung Sinh. Cả sự khởi đầu và kết thúc của kỷ Trias đều được đánh dấu bằng các sự kiện tuyệt chủng lớn.
Kỷ Jura
Kỷ Jura là một kỷ trong thời kỳ địa chất kéo dài từ khoảng 200 triệu năm trước, kết thúc Kỷ Trias vào khoảng 146 triệu năm trước và bắt đầu Kỷ Creta.
Kỷ Creta
Đại Tân sinh
Đại Tân sinh là giai đoạn khi các lục địa di chuyển đến vị trí hiện tại của chúng. Australia-New Guinea rời khỏi Gondwana để di chuyển về phía bắc và sau đó tiếp giáp với Đông Nam Á; châu Nam Cực cũng dịch chuyển đến vị trí hiện nay tại khu vực Nam Cực. Đại Tây Dương mở rộng ra và ở giai đoạn cuối của kỷ này, Nam Mỹ liền kề Bắc Mỹ.