Các khối vật liệu xây dựng là nguyên tố hóa học. Chúng có thể được xác định bởi số nguyên tử Z, là số proton trong hạt nhân. Một phần tử có thể có nhiều hơn một giá trị cho N, số nơtron trong hạt nhân. Tổng của những thứ này là số khối, gần bằng với khối lượng nguyên tử. Các nguyên tử có cùng số nguyên tử nhưng số nơtron khác nhau được gọi là đồng vị. Một đồng vị đã cho được xác định bằng một chữ cái cho phần tử đứng trước một siêu ký tự cho số khối. Ví dụ: hai đồng vị phổ biến của clo là 35Cl and 37Cl. Có khoảng 1700 kết hợp Z và N đã biết, trong đó chỉ có khoảng 260 là ổn định. Tuy nhiên, hầu hết các đồng vị không ổn định không xảy ra trong tự nhiên. Trong địa hóa học, các đồng vị ổn định được sử dụng để theo dõi các quá trình và phản ứng hóa học, trong khi các đồng vị chủ yếu được sử dụng để xác định mẫu.

Hành vi hóa học của một nguyên tử - ái lực với các nguyên tố khác và loại liên kết mà nó hình thành - được xác định bởi sự sắp xếp của các electron trong quỹ đạo, đặc biệt là các electron ngoài cùng (hóa trị). Những sắp xếp này được phản ánh ở vị trí của các phần tử trong bảng tuần hoàn. Dựa trên vị trí, các nguyên tố rơi vào các nhóm rộng kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, kim loại chuyển tiếp, bán kim loại (còn được gọi là metallicoid), halogen, khí hiếm, lanthanide và actinide.

Một sơ đồ phân loại hữu ích khác cho địa hóa học là Phân loại Goldschmidt, đặt các yếu tố thành bốn nhóm chính. Litophiles kết hợp dễ dàng với oxy. Các nguyên tố này, bao gồm Na, K, Si, Al, Ti, Mg và Ca, chiếm ưu thế trong vỏ Trái Đất, tạo thành silicate và các oxit khác. Các nguyên tố Siderophile (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Os) có ái lực với sắt và có xu hướng tập trung trong lõi. Các yếu tố Chalcophile (Cu, Ag, Zn, Pb, S) sunfua; và các nguyên tố atmophile (O, N, H và các khí hiếm) thống trị bầu khí quyển. Trong mỗi nhóm, một số nguyên tố là vật liệu chịu lửa, duy trì ổn định ở nhiệt độ cao, trong khi các yếu tố khác là dễ bay hơi, bay hơi dễ dàng hơn, do đó sức nóng có thể tách chúng ra.