古代，人類在開礦及經曆地震、火山、洪水等災害中逐漸認識到地質作用。歐洲文藝複興後，人們對地球曆史開始有了科學的認識。通過地層和化石了解地球演化史1508年，達·芬奇首次論證了化石的生物成因。1669年，丹麥科學家斯泰諾提出了地層層序律。1695年，英國科學家伍德沃德提出洪水使生物滅亡的洪積說。1705年，英國科學家胡克提出用化石來記述地球曆史。
到18世紀，在英國工業革命、法國大革命和啟蒙思想的推動和影響下，人們對地球的研究從思辨性猜測轉變為以野外觀察為主。1756年，德國科學家萊曼將山脈劃分為原生山、第二紀和第三紀山脈，由此開始了對地層的分類。法國一些地質學家和生物學家調查了巴黎盆地的大量化石和地層，他們以特殊的沉積岩和生物化石劃分了反映地理環境的海濱相帶和深海相帶的界線，對巴黎盆地地層層序作了係統研究。後來，又有學者係統研究了維拉雷山脈的地層和化石，提出存在著由老到新的5個層序。1779年，法國科學家布豐闡述了地球演化史，將地球曆史劃分為7個紀。
在經曆了一場有關地層以及岩石成因的“水成論”和“火成論”的大辯論後，科學家們開始用“均變論”思想以及自然過程來解釋地球過去的曆史。19世紀初，英國地質學家史密斯調查研究了威爾士到泰晤士河廣大地區的地層和化石，首次從地層學角度繪製了大麵積地質圖和地層剖麵圖。他後來提出“化石層序律”，即在不同時代的地層中含有不同的化石，根據這些化石便可以推斷產出這些化石的地層年代。
此後，地質學家們嚐試以生物演化為基本依據，建立能反映地球相對年齡的地質年代表，確定了地質曆史時期的大的時間單位和地層單位。1835年，英國科學家莫奇遜首次建立了“誌留係”，名字取自於古代威爾士的一個民族。不久，另一位英國科學家塞奇威克建立了“寒武係”，名字取自於威爾士北部的寒武地區。1878年，美國科學家拉普沃思把誌留係和寒武係之間的重複部分單獨分出，另命名為“奧陶係”。以後，其他科學家又分別建立了“泥盆係”、“石炭係”和“二疊係”。
“係”代表地層單位，對應的時間單位是“紀”，於是就有了寒武紀、奧陶紀、誌留紀、泥盆紀、石炭紀和二疊紀。後來，人們通過同位素測定法分別確定出這些不同時代地層的絕對年齡。1913年，英國科學家霍姆斯首次發表反映地球絕對年齡的同位素地質年代表，例如寒武紀始於5.64億年前，結束於5億年前。