Các lớp đá được nghiên cứu vào thời Avicenna (Ibn Sina), một nhà địa chất người Ba Tư đã viết quyển Al-Shefa năn 1027. Ông là người đầu tiên phác thảo nguyên tắc xếp chồng của các địa tầng:[1]

"It is also possible that the sea may have happened to flow little by little over the land consisting of both plain and mountain, and then have ebbed away from it.... It is possible that each time the land was exposed by the ebbing of the sea a layer was left, since we see that some mountains appear to have been piled up layer by layer, and it is therefore likely that the clay from which they were formed was itself at one time arranged in layers. One layer was formed first, then at a different period, a further was formed and piled, upon the first, and so on. Over each layer there spread a substance of different material, which formed a partition between it and the next layer; but when petrification took place something occurred to the partition which caused it to break up and disintegrate from between the layers (possibly referring to unconformity).... As to the beginning of the sea, its clay is either sedimentary or primeval, the latter not being sedimentary. It is probable that the sedimantary clay was formed by the disintegration of the strata of mountains. Such is the formation of mountains."

Tạm dịch

"Có khả năng rằng biển có thể đã tiến vào từ từ bao phủ các vùng đất liền hiện tại bao gồm cả đồng bằng và núi, và sau đó lại rút ra xa... Có thể là mỗi lần đất lộ ra khi biển lùi thì một lớp được để lại, từ đó chúng ta thấy một số dãy núi dường như là xếp chồng theo lớp, và vì thế rất có thể là sét, mà từ đó chúng được tạo thành, tự bản thân nó vào một thời điểm nào đó cũng sắp xếp thành các lớp. Một lớp được tạo thành lần đầu tiên và sau đó vào một khoảng thời gian khác, một lớp khác được tạo thành và xếp chồng lên, trên lớp đầu tiên, và cứ như thế tiếp tục diễn ra. Trên mỗi lớp là một dải vật chất của vật liệu khác, tạo thành lớp ngăn cách giữa nó và lớp kế tiếp; nhưng khi sự hóa đá diễn ra một điều gì đó đã xảy ra với lớp ngăn cách làm cho nó bị tan vỡ ra và phân hủy ở phần giữa các lớp (có thể ở đây đề cập đến phân vỉa bất chỉnh hợp)... Vào thời gian đầu biển tiến vào, lớp sét hoặc là trầm tích hoặc là nguyên sinh (không phải trầm tích từ biển). Có thể rằng sét trầm tích được tạo ra bởi sự phá hủy địa tầng của các dãy núi. Đây là sự tạo thành của các dãy núi."

Nền tảng lý thuyết của nó được Nicholas Steno thiết lập, ông là người đã giới thiệu lại quy tắc xếp chồng và giới thiệu nguyên lý lớp nằm ngang nguyên thủy và nguyên lý liên tục sang bên trong công trình năm 1669 về sự hóa thạch của các dấu tích hữu cơ trong các lớp trầm tích.

William Smith là người ứng dụng đầu tiên địa tầng học trên phạm vi rộng lớn vào thập niên 1790 và đầu thập niên 1800. Smith được biết đến như là cha đẻ của địa chất Anh, ông đã lập ra bản đồ địa chất Anh, và là người đầu tiên công nhận ý nghĩa của địa tầng hay sự tạo lớp đá, và tầm quan trọng của các hóa thạch ghi dấu cho các địa tầng tương liên. Một ứng dụng khác của địa tầng học vào đầu thập niên 1800 là công trình nghiên cứu của Georges Cuvier và Alexandre Brongniart về địa chất khu vực xung quanh Paris.