Phương pháp luận khác nhau tùy thuộc vào bản chất của các đối tượng được nghiên cứu. Các nghiên cứu thường rơi vào một trong ba loại: quan sát, thực nghiệm hoặc lý thuyết. Các nhà khoa học trái đất thường tiến hành phân tích máy tính tinh vi hoặc ghé thăm một địa điểm thú vị để nghiên cứu các hiện tượng trái đất (ví dụ: Nam Cực hoặc chuỗi đảo điểm nóng (địa chất)).

Một lý tưởng nền tảng trong khoa học trái đất là khái niệm về chủ nghĩa đồng nhất, khẳng địng rằng " các đặc điểm địa chất cổ đại được giải thích bằng cách hiểu các quá trình hoạt động dễ dàng quan sát."[cần dẫn nguồn] Nói cách khác, bất kỳ quá trình địa chất nào đang hoạt động hiện nay đều hoạt động những cách tương tự trong suốt thời gian địa chất. Điều này cho phép những người nghiên cứu lịch sử Trái đất áp dụng kiến thức về cách các quá trình trái đất hoạt động trong hiện tại để hiểu rõ hơn về cách hành tinh này tiến hoá và thay đổi qua lịch sử lâu dài.