古代，人类在开矿及经历地震、火山、洪水等灾害中逐渐认识到地质作用。欧洲文艺复兴后，人们对地球历史开始有了科学的认识。通过地层和化石了解地球演化史1508年，达·芬奇首次论证了化石的生物成因。1669年，丹麦科学家斯泰诺提出了地层层序律。1695年，英国科学家伍德沃德提出洪水使生物灭亡的洪积说。1705年，英国科学家胡克提出用化石来记述地球历史。
到18世纪，在英国工业革命、法国大革命和启蒙思想的推动和影响下，人们对地球的研究从思辨性猜测转变为以野外观察为主。1756年，德国科学家莱曼将山脉划分为原生山、第二纪和第三纪山脉，由此开始了对地层的分类。法国一些地质学家和生物学家调查了巴黎盆地的大量化石和地层，他们以特殊的沉积岩和生物化石划分了反映地理环境的海滨相带和深海相带的界线，对巴黎盆地地层层序作了系统研究。后来，又有学者系统研究了维拉雷山脉的地层和化石，提出存在着由老到新的5个层序。1779年，法国科学家布丰阐述了地球演化史，将地球历史划分为7个纪。
在经历了一场有关地层以及岩石成因的“水成论”和“火成论”的大辩论后，科学家们开始用“均变论”思想以及自然过程来解释地球过去的历史。19世纪初，英国地质学家史密斯调查研究了威尔士到泰晤士河广大地区的地层和化石，首次从地层学角度绘制了大面积地质图和地层剖面图。他后来提出“化石层序律”，即在不同时代的地层中含有不同的化石，根据这些化石便可以推断产出这些化石的地层年代。
此后，地质学家们尝试以生物演化为基本依据，建立能反映地球相对年龄的地质年代表，确定了地质历史时期的大的时间单位和地层单位。1835年，英国科学家莫奇逊首次建立了“志留系”，名字取自于古代威尔士的一个民族。不久，另一位英国科学家塞奇威克建立了“寒武系”，名字取自于威尔士北部的寒武地区。1878年，美国科学家拉普沃思把志留系和寒武系之间的重复部分单独分出，另命名为“奥陶系”。以后，其他科学家又分别建立了“泥盆系”、“石炭系”和“二叠系”。
“系”代表地层单位，对应的时间单位是“纪”，于是就有了寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪。后来，人们通过同位素测定法分别确定出这些不同时代地层的绝对年龄。1913年，英国科学家霍姆斯首次发表反映地球绝对年龄的同位素地质年代表，例如寒武纪始于5.64亿年前，结束于5亿年前。