Thạch địa tầng học, hay địa tầng thạch học, mang ý nghĩa rõ ràng nhất. Nó liên quan đến thạch học vật lý, hay các kiểu đá, mà sự thay đổi theo cả chiều đứng trong sự tạo lớp hay tạo tầng của kiểu đá khác nhau và sang bên phản ánh các môi trường trầm tích thay đổi, hay còn được gọi là thay đổi tướng đá. Các yếu tố cơ bản của địa tầng học bao gồm sự hiểu biết về mối quan hệ hình học nhất định giữa các lớp đá đã phát sinh như thế nào và các dạng hình học này mang ý nghĩa gì về mặt môi trường trầm tích. Một khái niệm cơ bản trong địa tầng học được hệ thống hóa trong nguyên tắc xếp chồng, đơn giản chỉ ra rằng trong một trình tự địa tầng không bị biến dạng thì các địa tầng cổ nhất nằm ở đáy của trình tự địa tầng.

Hóa địa tầng dựa trên các thay đổi trong thành phần tương đối của các nguyên tố dấu vết và đồng vị trong phạm vi và giữa các đơn vị thạch học. Các tỷ lệ đồng vị cacbon và ôxy thay đổi theo thời gian và được sử dụng để lập bản đồ các biến đổi nhỏ trong môi trường cổ. Điều này dẫn tới một chuyên ngành là địa tầng đồng vị.

Chu kỳ địa tầng học lập tài liệu các thay đổi thường có tính chu kỳ trong tỷ lệ tương đối của các khoáng vật, đặc biệt là các khoáng vật cacbonat, và sự đa dạng hóa thạch theo thời gian, liên quan đến các thay đổi của cổ khí hậu.