地球形成至今已有 46 億年了，地質學家是如何了解地球過去的歷史呢？一項重要的工作就是根據地層進行分析。地層通常是指地質史上形成的層狀岩石，包括沉澱岩、火成岩以及由兩者變質而成的變質岩。例如，目前發現地球上最古老的沉澱岩層距今 39 億年，這证明至少 39 億年前，地球上已經存在水和大氣层了，因為有水存在，風化了的岩石碎屑才會在水中沉澱下來。
距今 39 億到 25 億年間形成的地層因年代久遠，再加上几次大規模的地壳運動的挤压、破坏，以及高温岩浆活动的影响，大多有些变质，即岩石结构有些变形，岩石质地较硬，岩石成分较复杂。这个时期常会形成一些特大型的沉积铁矿，如辽宁鞍山铁矿。这个时期的地表温度较高，约70℃（现在平均只有15℃），且缺乏氧气，因此不适合一般生物的生存，但却适合蓝细菌的生长，并可以在地层中形成化石。但由于当时蓝细菌的种类还很少，因此对地层划分的作用不大。沉澱岩層中夹有許多火山喷发物，再加上當時發生了許多大規模的地壳運動，导致上下地層不一致，因此只能利用地層中的放射性元素来測定年代。这个时期称为太古宙。
距今 25 億到 5.41 億年間，地球上的蓝细菌發展到鼎盛时期，它们經常把海里的岩屑固結在自己周圍，從而形成了相当壮观的叠层石，甚至形成了礁体。此外，真核細胞的藻類、多細胞藻類也相继出現，到約 6 億年前，原始動物也出現了。但那時動物數量和種類都非常少，只有多孔動物門的海绵類、腔肠動物門的水母類和环节動物門的蠕虫類等。由于這個時期地壳運動和岩浆活動相對較弱，因此形成的地層變質较少，地質學家可以從地層中獲得如古代氣候、古代地理、古代環境、地壳運動、岩浆活動、海陆變迁、沉澱矿床形成等更多信息。这个时期在各方面都與太古宙明显不同，因此古生物學家稱它為元古宙。随着新技术的兴起，如古地磁技术的应用，地质学家从地层中了解到 19 亿年前地球大陆板块很少，且聚于北半球形成一块“泛大陆”。
自 5. 41 亿年以來為显生宙，此時大量生物出現了。寒武纪大爆發后，地球上出現了大量生物，在地層中形成了許多化石，而且越是近代的地層，就能見到越多越複雜、越多樣化的生物化石。科學家可以根據地層中的岩石、化石推測當時的古生物、古氣候、古地理、古環境状況，以及當時發生了的地壳運動、岩浆活動、海陆變迁、沉澱矿床的形成等，从而探知地球的歷史。地層的研究與化石的研究息息相關，它是地質科學的基础，因此單独成為一門学科 — 地層學。