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Was die Geologie von den meisten anderen Naturwissenschaften unterscheidet, ist vor allem der historische Ansatz. Die Minerale könnten ohne Weiteres von einem Chemiker klassifiziert werden, die Fossilien von einem Biologen. Die Eigenschaften des Erdkörpers könnte ein Physiker beschreiben, seine Gestalt ein Geograf. Der Geologe stellt aber nicht nur die Frage: „Was ist das?“, sondern vor allem: „Wie wurde es, was es ist?“

Die ersten Schritte in die Richtung einer Erdgeschichte ging der dänische Arzt und Naturforscher Niels Stensen, latinisiert: Nicolaus Steno (1638–1686). Im Jahre 1669 entwarf er in der Toskana das erste geologische Profil, das wirklich historisch gedacht war. Mit der grundlegenden Erkenntnis, dass die unteren Gesteinsschichten auch die älteren sind und die darüber lagernden sukzessive immer jünger, entdeckte Stensen das stratigraphische Prinzip. Die Anordnung im Raum entspricht also in Wirklichkeit einer Abfolge in der Zeit. Außerdem postulierte Stensen, dass alle Schichten ursprünglich horizontal abgelagert wurden und dass die Schichten nur nachträglich durch erdinnere Kräfte verstellt, zerbrochen und gefaltet werden können. Ebenso begriff Stensen erneut die organische Natur der Fossilien. Hätten sich die Fossilien erst nachträglich innerhalb des Gesteins gebildet, so wie Aristoteles glaubte, dann wären sie durch das umgebende Gestein verformt worden, so wie Baumwurzeln, die in einen Erdspalt hineinwachsen. Tatsächlich passte sich jedoch das umgebende Gestein an die Fossilien an, wodurch klar war, dass sie älter als das umgebende Gestein sein mussten. Als erster Kristallograph erkannte Stensen am Quarz das Gesetz der Winkelkonstanz.

Stensens Zeitgenossen beschäftigte weiterhin das Problem, warum die Fossilien tief in die Gesteine eingebettet waren, anstatt auf der Oberfläche zu liegen. Ein Ausweg bestand darin, den organischen Ursprung der Fossilien einfach zu leugnen und sie als spontane Bildungen und kuriose „Naturspiele“ abzutun, wie dies z. B. Martin Lister (1638–1711) tat. Robert Hookes (1638–1703) Geistesblitz, dass man aus dem Fossilinhalt der Gesteine eine zeitliche Abfolge der sich verändernden Umweltbedingungen rekonstruieren könnte, wurde vorerst nicht weiter verfolgt.

Solche erdgeschichtlichen Ansätze wurden aber noch lange durch das Festhalten an der biblischen Zeitskala behindert. Das bekannteste Beispiel ist die Berechnung des Erzbischofes von Armagh (Irland), James Usher (1580–1656), der die Entstehung der Welt auf Montag, den 23. Oktober 4004 v. Chr. datierte. Als einziges Ereignis, das die Gestalt der Erde nach der Schöpfung noch wesentlich verändert haben konnte, galt die Sintflut. Sie wurde nicht nur für die Existenz von Fossilien fern dem Meer verantwortlich gemacht, sondern auch für die weit verbreiteten Geschiebelehme. Diese in weiten Teilen Nord- und Mitteleuropas auftretenden Sedimente wurden erst im 19. Jahrhundert als Zeugnisse der letzten Kaltzeiten erkannt. Wegen der Ähnlichkeit der Küstenlinien von Afrika und Südamerika machte ein Theologe namens Lilienthal im Jahr 1736 die Sintflut sogar für das Auseinanderbrechen dieser Kontinente verantwortlich.