Niềm ưa thích địa chất của Lyell trải dài từ núi lửa và vận động địa chất thông qua địa tầng học, cổ sinh vật học, và băng hà học đến các chủ đề bây giờ sẽ được phân loại là khảo cổ học và cổ nhân chủng học tiền sử. Tuy nhiên, ông được biết đến nhiều nhất vì vai trò của ông trong việc phổ biến học thuyết đồng nhất. Ngoài ra, ông đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy nghiên cứu về hoàng thổ.

Học thuyết Đồng nhất

Bức ảnh mở đầu quyển "Các nguyên tắc địa chất", ta có thể thấy những cái cột đang bị con hà biển ăn, chứng tỏ, từng có thời gian những cái cột này sụt xuống dưới biển nhưng nay bị nâng lên bởi hoạt động địa chất

Từ năm 1830 đến năm 1833, "Các nguyên lý địa chất" - nhiều tập - được xuất bản. Phụ đề của tác phẩm là "Một cố gắng giải thích những thay đổi trước đây của bề mặt trái đất bằng cách tham chiếu đến nguyên nhân hành động", và điều này giải thích tác động của Lyell đối với khoa học. Ông đã rút ra những lời giải thích của mình từ các nghiên cứu thực địa được thực hiện trực tiếp trước khi ông xây dựng văn bản địa chất cơ sở. Ông đã cùng với John Playfair trước đây, người ủng hộ chính ý tưởng về Học thuyết đồng nhất của James Hutton, rằng trái đất đã được hình thành hoàn toàn bởi các lực lượng đang chạy chậm trong hoạt động ngày nay, diễn ra trong một khoảng thời gian rất dài. Điều này trái ngược với học thuyết thảm họa, một ý tưởng cho rằng những thay đổi địa chất là đột ngột và "thảm họa", đã được "phù hợp hóa" ở Anh để ủng hộ niềm tin vào Đại hồng thủy của Noah. Để mô tả tầm quan trọng của chủ nghĩa thống nhất đối với địa chất đương đại, Lyell đã viết về học thuyết Thảm họa:

Chưa bao giờ có một học thuyết được tính toán nhiều hơn để nuôi dưỡng sự lười biếng và để làm cùn lưỡi kiếm của sự tò mò, hơn là giả thuyết về sự khác biệt giữa nguyên nhân trước đây và nguyên nhân hiện tại của sự biến đổi... [Với học thuyết Thảm hoạ] chúng ta thấy tinh thần xưa cũ trở lại, và một mong muốn rõ ràng là muốn cắt, chứ không phải kiên nhẫn tháo gỡ, nút thắt Gordius. (nút thắt vô cùng phức tạp, lấy từ Thần thoại Hy Lạp).

Lyell tự thấy mình là "những người cứu tinh thần linh của địa chất, giải phóng khoa học khỏi sự phân phát cũ của Moses". "Nguyên tắc Địa chất" là công trình địa chất có ảnh hưởng nhất vào giữa thế kỷ 19, và đã làm rất nhiều điều để đưa địa chất vào một nền tảng hiện đại. Với những nỗ lực của mình, ông đã được phong tước vào năm 1848, sau đó làm một baronet (hạ nam tước) vào năm 1864.

Khảo sát địa chất

Một lát cắt lý tưởng Trái Đất, in trong "Các yếu tố địa chất"

Lyell đã ghi nhận những lợi ích kinh tế mà các khảo sát địa chất có thể cung cấp, ông trích dẫn niềm vui khi ở các nước giàu và các tỉnh giàu khoáng sản. Các cuộc khảo sát hiện đại, như Khảo sát Địa chất Anh (thành lập năm 1835), và Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (thành lập năm 1879), lập bản đồ và hiển thị các nguồn tài nguyên thiên nhiên trong nước. Vì vậy, trong các cuộc điều tra xác nhận, cũng như thúc đẩy nghiên cứu địa chất, Lyell đã giúp biến đổi ngành công nghiệp khai thác hiện đại, chẳng hạn như than đá và dầu.

Núi lửa và vận động địa chất

Tranh vẽ núi lửa Vesuvius, năm 1793

Lyell lập luận rằng những ngọn núi lửa như Vesuvius đã được bồi đắp từ từ.

Trước công trình của Lyell, các hiện tượng như động đất đã được hiểu rõ bởi sự tàn phá mà chúng mang lại. Một trong những đóng góp mà Lyell đưa ra về nguyên tắc là giải thích nguyên nhân của trận động đất. Mặt khác, Lyell tập trung vào các trận động đất gần đây (trong vòng 150 năm), chứng tỏ những bất thường trên bề mặt như đứt gãy, vết nứt, sự dịch chuyển địa tầng và sự sụt lún.

Tác phẩm của Lyell về núi lửa tập trung chủ yếu vào Vesuvius và Etna, cả hai ngọn ông đều đã học trước đây. Các kết luận của ông ủng hộ sự "phát triển" dần dần của các núi lửa, cái gọi là "back-up" (tạm dịch: nâng đỡ), trái ngược hoàn toàn với cuộc tranh luận về động lực mà các nhà địa chất học khác ủng hộ.

Địa tầng học

Đóng góp quan trọng nhất của Lyell là trong lĩnh vực địa tầng học. Từ tháng 5 năm 1828, cho đến tháng 2 năm 1829, ông hộ tống Roderick Impey Murchison (1792-1871) đến miền Nam nước Pháp (huyện Auvergne volcano) và Italy. Trong những lĩnh vực này, ông kết luận rằng các lớp đá "mất mát" gần đây có thể được phân loại theo số lượng và tỷ lệ vỏ biển chứa trong nó. Sau đó tách các tầng vào các phần sau, đặt tên là Pliocene, Miocene, và Eocene.

Băng hà học

Một băng tích ở Thụy Sĩ

Trong "Nguyên lý Địa chất" (ấn bản đầu tiên, quyển 3, Ch.2, 1833) Lyell đề xuất rằng các tảng băng trôi có thể là phương tiện vận chuyển cho các "tảng đá rời". Trong những thời kỳ nóng lên toàn cầu, băng phá tan các cực và nổi trên các lục địa bị ngập nước, mang các mảnh đá vụn với nó, ông phỏng đoán. Khi tảng băng tan, mưa rơi xuống đất trầm tích. Bởi vì lý thuyết này có thể giải thích cho sự có mặt của diluvium (hồng tích đằng), từ drift đã trở thành thuật ngữ được ưa thích cho vật liệu rời, chưa được phân loại, ngày nay được gọi là till. Ngày nay, một số cơ chế của Lyell đối với các quy trình địa chất đã không được chứng minh. Phương pháp quan sát của ông và khuôn khổ phân tích nói chung vẫn được sử dụng ngày nay như các nguyên tắc cơ bản trong địa chất.