Die Ursprünge der Geologie speisen sich aus zwei recht unterschiedlichen Quellen: einerseits aus den praktischen Kenntnisen der Erzsucher, Bergleute und Metallurgen, andererseits aus den allerersten Keimen der abendländischen Philosophie. Es war Thales von Milet (um 624 - um 546 vor Christus), der Begründer der ionischen Naturphilosophie, der als erster versucht hat, die alten mythologischen Vorstellungen über die Erde durch rationale Erklärungen zu ersetzen. Nicht mehr den grollenden "Erderschütterer" Poseidon machte er für die Entstehung der Erdbeben verantwortlich, sondern die Bewegungen der auf dem Urwasser schwimmenden Erdscheibe. Ebenso scheint Thales durch die Beobachtung von Sedimentationsprozessen, wie die Bildung von Sandbänken an der Mündung großer Flüsse, oder die Ausfällung von Mineralen am Rand heißer Quellen, zu seiner These gelangt zu sein, dass alle Dinge aus dem Wasser entstanden seien.

Thales Schüler Anaximandros (um 610 - um 546), der die erste Karte der bewohnten Welt gezeichnet hat, lehrte bereits, dass die Lebewesen aus der Feuchtigkeit entstanden seien, die unter der Einwirkung der Sonne verdunstete, und dass sich die Menschen aus fischartigen Lebewesen entwickelt hätten. Diese erstaunliche These greift nicht nur der modernen Evolutionstheorie um mehr als 2400 Jahre voraus, sondern zeigt auch, dass ihm das Phänomen der Ausfällung von Meersalz durch Sonneneinstrahlung bekannt war.

Xenophanes von Kolophon (um 570 - um 470) deutete erstmalig die Abdrücke von Muscheln und anderen Seetieren in meeresfernen Landstrichen als die Überreste von versteinerten Lebewesen (Fossilien), die mit den Gebirgen angehoben wurden. Ebenso erkannte er den Prozess der voranschreitenden Erosion an den Küsten, von dem er annahm, dass er in großen zeitlichen Zyklen alle Festländer, mitsamt der darauf lebenden Menschheit, wieder vernichten würde.

Interessanter Weise galten alle diese der Natur zugewandten Denkansätze schon im 4. Jahrhundert v.C. wieder als überholt. Die griechische Philosophie widmete sich stattdessen vermehrt formallogischen und transzendenten Problemen. Während die Pythagoreer in Süditalien die Mathematik in eine geheime Mysterien-Religion verwandelten, beschränkten sich die Sophisten auf Übungen in Grammatik, Dialektik und Rhetorik. Die Vorstellungen über die Entstehung der Gesteine und Metalle bewegten sich bald nur noch im Bereich der reinen Spekulation, die auf empirische Beobachtungen weitgehend verzichtete. Als z.B. Anaxagoras von Klazomenai (um 500 - 428) behauptete, die steinige, erdartige Beschaffenheit der Himmelskörper sei durch den Fall des Meteoriten von Aigospotamoi bewiesen worden, brachte ihm das bereits eine Verurteilung wegen Gotteslästerung ein.

Platon (427 - 348) verband die Lehre von den vier Elementen des Empedokles mit den mathematischen Spekulationen der Pythagoreer über die geometrische Gestalt der Atome. Die Metalle und Minerale bestehen demnach nicht, wie die Steine und Erden, aus vermischten Elementen, sondern aus besonders verdichtetem "schmelzbarem Wasser", sprich: besonders hart gefrorenem Eis.

Aristoteles (384 - 322) vertrat in seinem Werk "Meteorologia" die folgenreiche Lehre von der Umwandlung (Transmutation) der Elemente. Die Wandlung führte er auf das tiefe Eindringen der Sonnenstrahlen in den Erdkörper zurück. Aus den resultierenden trockenen Ausdünstungen entstehen demnach die Gesteine, und aus den feuchten Ausdünstungen die Metalle. Die Hebungen und Senkungen der Erdoberfläche, die Anschwemmung und Abtragung bewirken, waren ihm bekannt. Seiner Meinung nach beruhten sie auf dem langsamen, aber unregelmäßigen Alterungsprozess der Erde.

Solche Ansichten wurden von Theophrast, dem Schüler und Nachfolger Aristoteles, in seiner Schrift "Über die Steine" zusammen gefasst und galten danach, bis weit in die Neuzeit hinein, als allgemein verbindlich. In den späteren Steinbüchern wurden diese Theorien aber zunehmend mit Vorstellungen aus dem Orient vermengt, über die magisch-astrologischen und medizinischen Eigenschaften der Metalle und Edelsteine, aber auch mit praktischen Rezepten für die Fälschung von Gold, sowie zur künstlichen Herstellung von Glas und Farbstoffen. Hier darf man die Ursprünge der technischen Chemie sehen.

Die Entdeckung des spezifischen Gewichts von Gold, durch Archimedes von Syrakus (um 285 - um 212) in der Badewanne, gilt als die erste quantitative Messung in der Physik.

Die letzte große Synthese all dieses, mittlerweile schon sehr umfangreichen und widersprüchlichen Materials unternahm Plinius der Ältere in seiner enzyklopädischen "Naturalis Historia". Bei dem Ausbruch des Vesuvs, der die Stadt Pompeji vernichtete, wagte sich Plinius aus Neugier zu nah an den Vulkan heran und erstickte an den austretenden Gasen. Diesem ersten Märtyrer der Geowissenschaften zu Ehren werden explosive Ausbrüche als plinianische Eruptionen bezeichnet.

Ansonsten wurden in der Antike nur noch wenige geologische Beobachtungen gemacht. Das Desinteresse beruhte v.a. auf der allgemeinen Geringschätzung von schmutziger Handarbeit. So blieb besonders das Gebiet der Angewandten Geologie, wie Bergbau und Lagerstättenkunde, ausschließliche Domäne von Sklaven und Handwerkern, die ihre praktischen Kenntnisse im besten Fall mündlich weiter gaben. Nur im biblischen Buch Hiob (Kap. 28, 1-19) findet sich eine kurze Schilderung über den (letztendlich unbefriedigten) Forscherdrang der Bergleute.