Trong nhiều thiên niên kỷ, con người đã suy đoán làm thế nào các yếu tố vật lý và sống trên bề mặt Trái Đất kết hợp với các vị thần và nữ thần thường được đặt ra để thể hiện các yếu tố cụ thể. Quan niệm rằng Trái Đất, chính nó, còn sống là một chủ đề thường xuyên của triết học và tôn giáo Hy Lạp.[20] Những giải thích khoa học ban đầu về hệ thống Trái Đất bắt đầu trong lĩnh vực địa chất học, ban đầu ở Trung Đông[21] và Trung Quốc,[22] và chủ yếu tập trung vào các khía cạnh như tuổi của Trái Đất và các quy trình quy mô lớn liên quan đến núi và đại dương. Địa chất phát triển như một khoa học,sự hiểu biết về sự tương tác của các khía cạnh khác nhau của hệ thống Trái Đất tăng lên, dẫn đến việc bao gồm các yếu tố như nội địa Trái Đất, địa chất hành tinh và hệ thống sống.

Trong nhiều khía cạnh, các khái niệm nền tảng của khoa học Hệ thống Trái Đất có thể được nhìn thấy trong các diễn giải tổng thể về tự nhiên được thúc đẩy bởi nhà địa lý thế kỷ 19 Alexander von Humboldt.[23] Trong thế kỷ 20, Vladimir Vernadsky (1863–1945) đã nhìn thấy chức năng của sinh quyển như một lực lượng địa chất tạo ra sự mất cân bằng động, từ đó thúc đẩy sự đa dạng của cuộc sống. Vào giữa những năm 1960, James Lovelock lần đầu tiên đưa ra một vai trò điều tiết cho sinh quyển trong Phản hồi các cơ chế trong hệ thống Trái Đất. Ban đầu được đặt tên là "giả thuyết phản hồi Trái Đất",[24][25][26] Lovelock sau đó đổi tên nó thành Giả thuyết Gaia,[20] và sau đó tiếp tục phát triển lý thuyết với nhà lý thuyết tiến hóa Mỹ Lynn Margulis suốt những năm 1970.[25][27] Song song đó, ngành khoa học hệ thống đã phát triển trên nhiều lĩnh vực khoa học khác, một phần do sự sẵn có ngày càng tăng và năng lượng của máy tính,và dẫn đến sự phát triển về mô hình khí hậu điều đó bắt đầu cho phép chi tiết và tương tác mô phỏng về Trái Đất với thời tiết và khí hậu.[28] Sự mở rộng sau đó của các mô hình này đã dẫn đến sự phát triển của "các mô hình hệ thống Trái Đất" (ESM) bao gồm các khía cạnh như tầng lạnh và sinh quyển.[29]

Là một lĩnh vực tích hợp, khoa học Hệ thống Trái Đất giả định lịch sử của một loạt các ngành khoa học, nhưng như một nghiên cứu rời rạc, nó đã phát triển vào những năm 1980, đặc biệt là tại NASA, nơi một ủy ban được gọi là Ủy ban Khoa học Hệ thống Trái Đất được thành lập vào năm 1983.Những bản báo cáo đầu tiên về khoa học hệ thống Trái Đất, Khoa học hệ thống Trái Đất: Tổng quan (1986), và độ dài sách Khoa học hệ thống Trái Đất: Một cái nhìn cận cảnh hơn (1988), tạo thành một cột mốc quan trọng trong sự phát triển chính thức của khoa học hệ thống Trái Đất.[30] Các công trình ban đầu thảo luận về khoa học hệ thống Trái Đất, như các báo cáo của NASA, nói chung nhấn mạnh tác động của con người ngày càng tăng đối với hệ Trái Đất là động lực chính cho nhu cầu hội nhập lớn hơn giữa đời sống và khoa học địa lý, làm cho nguồn gốc của khoa học hệ thống Trái Đất song song với sự khởi đầu của thay đổi toàn cầu