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从熔融的内部到坚硬的外壳，整个地球都是由岩石构成的。通过研究岩石和化石（地质学和古生物学），人类对地球的形成和发展有了深入的了解。尽管我们已经掌握了这些信息，但要理解地史，即深时（deep time），依旧很难，因为它远远超出了人类的经验范畴。
地质学家研究地层组成、年龄和分布，从而阐明诸如板块构造、气候变化、生命起源及进化的过程。地质学的原理看似简单，实则繁复，因为在深时里，坚硬的岩石可以像水一样流动，也可以像纸一样皱缩。新岩石的形成伴随着旧岩石被吞噬的过程。与此同时，化石的分布是不均匀的，这不仅体现在化石所处的空间位置上，还体现在化石所代表的特定时间段上。此外，有骨骼的动物比没有骨骼的动物更容易形成化石。大约300年前，人类开始认真思考这些谜题。在更早的时候，人类就尝试着解读世界，比如将山顶上的贝壳解释为古代洪水留下的证据，以及用神话来解释在草原丝绸之路上的沙漠中发现的恐龙骨骼。
地质年代是用于描述地球46亿年生命中事件发生的时间，它被分割成极为精细的尺度，从宙、代到纪，再到期。其中大部分是由欧洲地质学家命名的，并根据他们在地层中观察到的明显变化来定义，比如从石灰岩到砂岩的突然转变，或者化石新种的出现。随着我们对地质过程的深入了解，有关这些时间尺度的细节不断完善，年代也越来越精确。
科学家使用的现代时标被称为年代地层表（chronostratigraphic chart），它综合了多种来源的信息，包括岩石和化石中放射性元素的年代测定。尽管科技日新月异，地质年代背后的一个关键原则仍是对生物的化石研究，以及它们是如何在深时出现、发生变化和消失的。
关于岩石的最早记录来自古希腊和古罗马，那时的人研究了石头、金属和矿物，并认识到地球随着时间的推移发生了巨大变化。大约在公元1000年，波斯和中国的学者通过地层的成分来推测地貌的形成过程。11世纪的自然科学家伊本·西拿（Ibn Sīnā）是伊斯兰世界最伟大的学者之一，他认识到岩石的沉积和山谷的形成需要无比漫长的时间。在中国，沈括也注意到了沉积和侵蚀的过程，贝类化石更是表明中国内陆的部分地区曾经是海洋。
詹姆斯·赫顿（James Hutton）是西方地质科学领域的主要人物，被称为“现代地质学之父”。与先前的伟大学者一样，赫顿也观察到了侵蚀和沉积现象，并意识到岩石当时的状态揭示了其形成过程。他还提出了关于深时的新观点，并认识到地层可以抬升、倾斜和折叠，从而形成山脉、山谷以及复杂的地貌。人们对地质过程的认识也由此进入了新阶段。
地球上的岩石类型主要有火成岩（岩浆岩）、沉积岩和变质岩三种。火成岩来自地表以下，要么由喷出地表的岩浆冷凝而成，要么由侵入地壳的岩浆凝固而成。沉积岩则积聚在地球表面，由被侵蚀的岩石和矿物的碎片、生物化石或化学沉淀物（如碳酸盐）组成。变质岩一开始是火成岩或沉积岩，在压缩或加热等作用下发生了变化。当岩石直接接触到炽热的岩浆或者像油灰那样被折叠、压制和挤压时，它就会变质。变质通常意味着岩石化学成分的改变，矿物在重新排列时会形成新的纹理和图案。
地质学中最重要的原理与了解地层所处的地质年代密切相关。沉积岩一层一层地叠在一起，就像一层又一层的蛋糕。最古老的地层在底部，越往上，地层越年轻。地层中的化石展示了生物的演变历程，而只存在于特定时期的指准化石（index fossils）可以用来确定地层的年代。然而，在漫长的岁月里，地层可能会倾斜或折叠，并将较老的地层推到较新的地层上面，沿着苏格兰西北海岸分布的莫因冲断带就是一个典型例子。地层也会被雨雪冲走，在岩石记录中留下缺口。火山活动会将岩浆闪电般注入已经存在的地层。地表的裂缝、断层线和板块构造会使地层相互移动，形成复杂且混乱的模式。解释这些模式是一项复杂而艰巨的工程，只有将它们置于地球漫长的一生中，我们才能真正理解它们。
大陆漂移是板块构造机制的一部分，而板块运动是塑造地球的基本过程之一。地球表面虽然看起来是一个固体涂层，但实际上是由岩石板块组成的。地球上大约有8个主要板块和几十个较小板块，它们会随着地球熔融内核的沸腾和搅动而不停地移动。地球内核的热量产生了对流，使这些板块在数百万年的时间里分分合合。由于厚度不同，板块之间会相互滑动或者向上折叠和挤压，从而形成山脉。在板块交汇和分离的地方，如环太平洋火山地震带，火山和地震会频繁发生。
许多较大的板块都包含一个古老的核心，后者被称为克拉通。克拉通是地壳中最古老的部分，其中一些形成于40亿年前，即地球诞生后不久。通过研究克拉通，地质学家已经能够拼凑出地球的形成过程。在过去的35亿年里，尤其是在复杂生命出现之后，大陆板块的移动对生物进化过程产生了巨大影响，其中包括创造了新的栖息地，形成了海洋又使其消失，改变了气候，以及使生物相互隔离了数百万年。
进化迸发出光芒，借着这光芒，我们可以看到地球绚丽多彩的历史。人类对进化的认识虽然起步较晚，但已经彻底改变了有关生物和化石的研究。进化与自然环境之间关系密切，因此，生命的模式与不断变化的地球是紧紧联系在一起的。
最早认识到进化过程的是查尔斯·达尔文，随后是阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）。
自然选择理论从根本上决定了我们对地球上所有生命模式的理解。有关进化的研究结合了生物学、古生物学、地质学、生态学和数学等。进化是一个看似简单的概念，即性状的遗传及其与生存的关系，但又包含了错综复杂的内容，我们在理解和描述它时很容易出现错误。
随着计算机和遗传学的出现，我们对性状选择和代际传递的认识比以往任何时候都要深刻。这些知识主要来自对岩石和化石的研究，而岩石和化石提供了有关时间尺度的信息，这是人类仅凭肉眼在几百年的时间里都无法观察到的。正因如此，我们才得以了解到地球不断变化的面貌是如何塑造其居民的。如果没有这种对过去的洞察，我们就不可能知道现在的世界是如何形成的，也无法预见气候变化下的未来是什么样子的。
进化的关键之处在于，地球上的所有生命都是由共同的祖先演变而来的。祖先将性状遗传给后代，那些能为生存带来优势的性状则在整个类群中代代相传。虽然这听起来很简单，但在很长一段时间里，人们把选择看作一个努力追求进步或完美的积极过程，这种观点至今仍然存在。实际上，进化并没有终极目标，性状不是由生物体主动选择或发展的，而是每一代随机获得的。简而言之，进化是一个不涉及价值判断的持续过程。
自卡尔·林奈（Carl Linné）于18世纪创建分类系统以来，生物就被分成了不同的类别。这种分类方法以解剖学为基础，通过骨骼和器官的特征将生物（包括其化石）进行分类。现代科学采用的是支序分类学，而不是林奈创建的分类法。支序分类学不仅关注生物体，还将解剖学和遗传学结合起来，根据共同的祖先进行分类，拥有共同祖先的生物体就属于一个支系。这反映了人类对生物之间的真正关系以及进化过程的深刻理解。
在过去的几十年里，遗传学重写了对生物之间的关系的认识，原来的许多分类法也因此过时。对于因板块构造而隔离的生物，遗传学揭示了它们是如何在各个大洲独立繁衍的：通过一个被称为趋同进化（convergent evolution）的过程，这些生物通常会进化出相似的生存能力和适应能力。由于我们只能接触到现存生物的基因，所以化石研究在解释生命进化方面发挥着重要作用。
遗传学知识的传播、数学的应用和计算机的发展曾在生物科学领域掀起一场革命，催生了现代综合论（modern synthesis）。这场革命始于20世纪上半叶，在此之前，简单的观察是理解生物关系和自然选择的唯一方法，这无疑会受到观察者的技能或假设的影响，而新方法是定量的，可以用数学来检验。
对于进化的速度以及它所遵循的主要模式，化石提供了关键数据。化石研究结果表明，进化可以像达尔文预测的那样缓慢而渐进地发生，但速度非常快的物种大爆发也发生过，这催生了许多全新的物种。研究结果还表明，进化不是线性和定向的，而是不规则的，存在许多分支，也没有既定目标。我们可以利用数学将进化过程中的变化与重大事件（如生物灭绝和气候变化）相匹配。由此，我们得以勾勒出一幅复杂的自然选择图景，这大大改变了我们对地球生命进化史的看法。
一张巨大而混乱的生命网在地球上的生态系统中传递着能量。一个完整的生态系统包含植物、动物、微生物，以及它们之间的密切互动，甚至是与地质、气候的相互影响。我们可以从能量和物质的流动这个角度来理解生态系统，通过光合作用、捕食、分解和养分循环，能量和物质以传递游戏的方式在生态系统内流动。这些相互交织的能量网在生命诞生时就出现了，随着生物体变得越来越复杂，各种交互作用也随之产生。最终，进化与生态系统变化紧紧联系在了一起。
在漫长的历史中，气候变化和自然灾害也对生态系统产生了深远的影响，并打乱了生态系统中错综复杂的生命网。这种影响扰乱了生命的进程，为新的群体带来了选择性优势。在地球生命的进化史中，有时整个生态系统走向崩溃，其居民随之成为化石；有时，在新能源或特定捕食关系的支撑下，全新的生态系统也会出现。