由於研究對象和手段不同，地球化學也形成了一些分支學科，主要分為元素地球化學、有機地球化學、無機化學、天體化學、環境地球化學、礦床地球化學、區域地球化學以及勘查地球化學。
元素地球化學在礦產資源的研究中起著非常重要的作用，它是從岩石等天然樣品中化學元素含量與組合出發，對各個元素在地球各部分以及宇宙天體中的分布、遷移與演化進行研究的一門分支學科。
有機地球化學主要研究對象是自然界產出的有機質，對它們的組成、結構、性質、空間分布、在地球曆史中的演化規律以及參與地質作用對元素分散富集的影響進行研究。在有機地球化學中，對生命起源的研究是其中最主要的研究內容之一。
天體化學也是地球化學的一個重要分支，它研究的內容包括元素和核素的起源、元素的宇宙豐度、宇宙物質的元素組成和同位親組成及變化，以及天體形成的物理化學條件和他們在空間、時間的分布、變化規律。
環境地球化學反應是一些疾病的地區性分布特征及其與環境要素之間的關係。具體的研究內容包括人類生存環境的化學組成、化學作用、化學演化及其與人類的相互關係，以及人類活動對環境狀態的影響及應該采取怎樣的相應對策。
礦床地球化學研究的內容包括礦床的化學組成、化學作用和化學演化，在這門學科中它著重探討的是成礦的時間、物理化學條件、礦質來源和機理等問題。
區域地球化學研究的是某一地區的某些地質體和圈層的化學組成、化學作用和化學演化，以及元素、同位素的循環、再分配、富集和分散的規律。區域地球化學揭示了元素在空間分布的不均勻性，可以作為劃分元素地球化學區和成礦遠景區的依據。
勘查地球化學是通過對成礦元素和相關元素在不同地質體及區帶的含量和分布研究，找出異常地段，以便縮小和確定礦區及勘探對象。勘查地球化學除了直接服務於礦產資源外，在國家進行環境評價及國土規劃中也有很重要的作用。
總之，這七門分支學科相互聯係、相互區別，它們促進了地球化學研究的更加精細和橫加係統。而且地球化學上所取得的一些重大成果很多都是各分支學科綜合研究的結果。