Địa vật lý được công nhận là một lĩnh vực khoa học riêng biệt từ thế kỷ 19, tuy vậy nguồn gốc của nó đã có từ thời cổ đại.

La bàn từ tính đầu tiên đã được chế từ đá nam châm (Lodestone), và sau đó la bàn từ tính đóng vai trò quan trọng trong hàng hải. Các dụng cụ quan sát địa chấn đầu tiên được chế từ năm 132 TCN ở Trung Hoa.

Isaac Newton áp dụng lý thuyết tương tác hấp dẫn của ông để giải thích về cơ chế thủy triều. Sau đó các công cụ được phát triển để đo hình dạng, mật độ và trọng trường Trái Đất, cũng như các thành phần trong vòng tuần hoàn nước.

Trong thế kỷ 20, các phương pháp địa vật lý đã được phát triển cho thăm dò thạch quyển và thủy quyển Trái Đất. Địa vật lý cũng đóng một vai trò thiết yếu trong sự phát triển của lý thuyết kiến tạo mảng.