地球历史记录在一些岩石中。岩石地层单元的相对年龄可由叠置原理、切割关系、生物化石层序及陨击坑密度（单位表面积上的坑数）等得出。按照叠置原理，未扰动的岩层序列总是下层老、上层年轻，例如，后来的陨击或火山抛出物总是沉积在较老的岩层上面。按照切割关系，总是年轻特征者切割较老特征者，例如断层比所错动的岩石年轻。陨击坑密度一般随时间而增加，因而陨击坑密度大的区域是老的，但是，新陨击坑及其他地质过程破坏掉老陨击坑而难于确定相对年龄，陨击坑的形态对比也可用于估计相对年龄。相对年龄较容易确定，但显然是不够的，更需要知道绝对年龄（距现在多久）。岩石或地质事件的绝对年龄用放射性同位素衰变“钟”来测定。
有些同位素（母核）是不稳定的，自发地发生放射性衰变，生成新的同位素（子核）。放射性同位素有严格的衰变规律，不受外界条件（温度、压力、化学变化等）影响，它从母核一生成就开始有规律地衰变，好像上了发条的钟有规律地走动一样。
若母核生成时数目为P，经过时间t衰变后生成子核数目为D，则衰变规律给出
式中，λ为衰变常数。半数母核衰变所需时间τ=
称为半衰期。以下所列为常用的放射性衰变及半衰期。
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对两个以上有不同母核的样品（如同一岩石中的几种矿物），由测定的子核与母核数可得年龄。若衰变后的子核全部封闭于岩石内，则得到的是岩石形成年龄；若后来受到加热事件而丢失子核，则得到的是加热事件的年龄。
地质学“讲今论古”，从岩石地层的相对年龄和绝对年龄分析逆推了地球过去的演化史。但由于严重地质的演化，越早的遗迹越少，现在已知的最古老地球岩石年龄为38亿年，最古老的锆石大致追溯到44亿年前，说明40亿年前已开始形成地壳。地球最早期几亿年的遗迹大多丧失殆尽，很难从地球自身研究得到它的完整演化史。另一方面，太阳系小天体的演化程度小，保留了很多早期遗迹。近半个世纪以来，尤其是从月球和类地行星的空间探测得到它们的演化信息，通过比较行星学及理论的研究，可以推测地球演化的初步轮廓。
科学家综合绝对年龄和相对年龄的研究结果，建立了地质年代表。地质年代单位从大到小分为宙、代、纪、世，相应的地层单位为宇、界、系、统。地球演化的重要时间序列“钟”示于图5-26。以距今5.41亿年划分，其前是隐生宙（Cryptozoic Eon），具体情况还不很清楚，甚至对细分的冥古宙（Hadean Eon）、太古宙（Archean Eon）、元古宙（Proterozoic Eon）还有疑义；而其后的显生宙则有公认的年代表，包括古生代（Paleozoic）、中生代（Mesozoic）和新生代（Cenozoic），它们再分为几个纪，将在后面讲述。
图5-26 地质演化的重要时间序列“钟”（Ga=10亿年前，Ma=百万年前）
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