從20世紀20年代到60年代，社會生產力和科學技術有了全面穩定的發展。地質學的基礎學科，如地層學、古生物學、巖石學、礦物學和構造地質學都向縱深發展，並開拓許多新的研究領域。社會和工業的發展使得石油地質學、水文地質學和工程地質學都形成獨立的分支學科。地質學各分支學科間的相互滲透和新技術方法的應用導致了新的邊緣學科出現，如地球化學、古地磁學、海洋地質學、地質年代學等。多學科的綜合研究和新領域的研究成果使得全面的地球史的總結成為可能。特別是60年代發生的科學技術革命、國際間大規模的考察和探測，導致了以地球物理學與地質學相結合為特徵的地學革命。新技術的廣泛採用以及數學、物理學、化學等基礎自然科學與地質學的結合，促進了地質研究從定性到定量的過渡，並向微觀和宏觀兩個方向縱深發展。板塊構造學的出現，新地球觀的形成，使得地質學進入了一個新的發展階段。
地質學各分支學科的發展
在古生物學和地層學方面，這一階段的特徵是古生物學為新興的石油地質研究服務，發展了微體古生物學。同時，它與生物史，地球史的研究相結合，發展了理論古生物學、古生態學。古生物學在50年代不斷有一些大型系統專著問世，如R.C.莫雷主編的多卷集《古無脊椎動物》（1952～1962）等，說明古生物學各門類的不斷豐富和普遍提高。早在1911年，J.A.阿登開始用微體化石進行地層對比，隨著石油地質研究的發展，微體古生物學日益受到重視。美國的J.A.庫什曼的《有孔蟲》（1928）專著可視為先導。其他如牙形石，孢子花粉等的研究也有重要進展。中國李四光對?科殼部構造研究之詳（1928）居於當時的前列。1947年F.格萊斯納出版了微體古生物總結性專著。前寒武紀的生物化石報導很早，常見的疊層石的性質卻一直難以確定。1933年，英國的M.布萊克認為它是潮間帶藍綠藻類形成的紋層，幾十年後得到證實。格萊斯納於1948年報導了澳大利亞前寒武紀末期的伊底卡拉裸露動物，證實了高級動物在前寒武紀的存在。在理論古生物學方面，美國的G.G.辛普森在《進化的主要特徵》（1913）專著中總結了生物演化的系譜和方式。N.D.紐厄爾則研究、統計了古生物門類在地史中大規模的滅絕和新生，回顧了歷史上生物演化的過程。蘇聯學者在古生態學方面做出了重要貢獻。Н.Н.雅科夫列夫最早研究珊瑚類和腕足類的古生態，其後，Р.Ф．蓋克爾對俄羅斯地臺泥盆紀古生態的系統研究，提出了地層同時異向對比原則。
在地層學方面，美國A.W.葛利普於1913年出版的《地層學原理》中，把地球的氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等作為地球的整體，討論各圈層之間的相互影響和關係;並引入沉積旋迴的概念，強調了巖相橫變在地層對比中的重要性，使地層研究的理論和方法得到重要的發展。C.舒克特於1910年發表了《北美古地理》，總結了顯生宙以來北美海陸分布的重要變化。他們的工作推動了地層學和古地理學的發展。
地層學研究還表現在地層工作規範的制訂和地質年表的完善。30年代的美國地層規範（1933）不承認巖相橫變與地層時代界限的關係，主張單一地層劃分的原則。H.D.赫德伯格等對此提出批評。到40年代末，地層的巖性與時代雙重劃分概念才得以建立。1976年，赫德伯格的《國際地層指南》進一步提出多重地層劃分的概念，得到普遍的支持。中國1961年公布的《地層規範草案》主張單一地層劃分，1980年公布的《中國地層指南》接受了地層多重劃分的概念。
地質年代學一詞是美國H.S.威廉斯於1893年提出的。19世紀末放射性元素被發現之後，英國的E.盧瑟福、F.索迪確立了元素放射性蛻變原理。美國的B.B.博爾特伍德（1907）、英國的A.霍姆斯（1911）先後應用含鈾礦物U/Pb比測量礦物的年齡，1913年，霍姆斯發表了專著《地球的年齡》。30～50年代，逐步出現了同位素地質測年的鉀－氬法、銣－鍶法、碳－14法等。70年代，出現了釤－釹法。1947年，霍姆斯首先建立顯生宙地質時代表，其後幾經修正，補充了前寒武紀部分，最後形成1989年的國際地質科學聯合會頒布的全球地層表。
中國近代地質工作是從1912年政府部門設立地質科開始的。早期以鑑定化石、建立各區地層系統和開展區域填圖為首要任務。從20～50年代，孫雲鑄、許傑對早古生代地層及三葉蟲、筆石等化石，李四光、趙亞曾、田奇?、俞建章、黃汲清對晚古生代地層及腹足類、珊瑚等化石，尹贊勳、斯行健、潘鍾祥等對中生代地層及軟體類和植物化石，楊鍾健、裴文中對新生代地層和脊椎動物及人類化石都做了大量的研究工作，取得了顯著成就。其他國家外籍學者中，美國的葛利普、法國的德日進、瑞典的安特生在中國地層、古生物和區域地質研究中也作出了重要貢獻。
在地殼物質組成研究方面，礦物學、巖石學、地球化學都有了前所未有的發展。自從1895年德國的倫琴發現了X射線，人們開始用它研究晶體結構。英國的W.H.布喇格和W.L.布喇格父子的工作奠定了X射線結晶學的基礎。挪威的V.M.戈爾德施密特用X射線分析研究出75種元素200種化合物的晶體結構，將結晶學推向新階段。
在巖石學方面，20世紀初，美國的C.W.克羅斯、J.P.伊丁斯、L.V.皮爾森和H.S.華盛頓提出了根據標準礦物的重量百分比對火成巖進行分類的CIPW法。瑞士的P.尼格裡結合化學分析，將重量百分比換算為原子百分數，提出標準分子值法。
關於巖漿巖的研究，美國的N.L.鮑溫提出巖漿反應系列，得到廣泛的引用。奧地利的B.桑德爾研究巖漿巖巖體構造與顯微鏡下礦物排列方式的聯繫，於1930年發表了《巖組學》一書，標誌著巖組學這一巖石學分支學科的形成。
花崗巖的成因是20世紀地質學界爭論問題之一。芬蘭的J.J.塞德霍姆用「混合巖」命名介於花崗巖與片麻巖之間的巖石，並於1934年發表專著論述芬蘭的古老混合巖。英國的H.H.裡德在40～50年代陸續著文討論花崗巖的成因，使花崗巖變質成因說得到愈來愈多的支持。
在變質巖方面，由於K.H.F.羅森布施、瑞士的J.U.格魯本曼和P.尼格裡的工作，變質巖被劃分為區域變質、接觸變質、熱變質、動力變質等類型。1920年，芬蘭的P.F.埃斯克拉將礦物相概念引入到變質巖分類中，提出重要的變質相概念。
葛利普（1913）、F.J.裴蒂莊（1938）對沉積巖提出了系統的特徵和成因分類。
20世紀以來，化學的理論和方法被系統地引入到地質學中，並逐漸形成地球化學這門學科。美國的F.W.克拉克收集了巖石圈、水圈、氣圈的化學分析值，出版了《地球化學數據》（1908）、《地球化學新數據》（1924）等專著，對地殼成分的研究有廣泛的影響。戈爾德施密特從1929年起對地球化學元素的分布、分類及其遷移進行了研究，區分了親鐵元素、親石元素、親氣元素、親生物元素等。在蘇聯，А.Е.費爾斯曼在30年代對偉晶巖進行了系統研究，提出了地球化學元素遷移過程的循環概念。В.И.維爾納茨基將地球化學定義為研究地球元素歷史的科學，強調對地球化學元素遷移研究的重要性。
礦床學的系統研究開始於20世紀。前蘇聯Ю.А.畢利賓，50年代提出成礦區和成礦期的概念，還編制了全蘇地槽期內生礦產演化圖。美國的W.林格倫於1913年提出著名的礦床分類系統，長期以來受到重視並廣泛引用。德國H.施奈德勳對礦床的次生富集作用做了大量研究，《早期結晶金屬礦床》（1958）是這方面的系統論著。
中國有關巖石礦物和礦床學的研究，早期有章鴻釗所著《石雅》（1921，1927）、翁文灝所著《中國礦產志略》（1919）。其後有謝家榮所著《中國的礦床時代與礦產區域》（1937）。
應用地質學科在20世紀也有了很大發展。在水文地質學方面，水在巖層孔隙中的滲流規律在19世紀中葉即已發現。美國的O.E.邁因策爾對地下水的開採補給作了廣泛的理論研究，著有《美國地下水的賦存及其成因研究》（1923）。他是水文地質學奠基人之一。蘇聯的Г.Н.卡明斯基在30年代研究地下水動力學，涉及區域水文地質和工程地質，他的地下動態分析和滲漏計算方法有重要的實用意義。
在石油地質學方面，前蘇聯的И.М.古勃金提出石油生成、儲集、運移和油田形成等一系列觀點，著有《石油學》。美國的A.I.萊復生於1954年出版的《石油地質》，加拿大的K.K.蘭德斯於1959年發表的《石油地質》，使石油地質研究日臻完善。
中國的石油地質學研究開始於30年代。潘鍾祥最早提出陸相生油的觀點（1941）。50年代李四光、黃汲清、謝家榮先後根據構造和沉積理論，提出中國成油條件和油田分布規律，為油田的發現和開發作出了重要貢獻。
煤地質學沿著兩個方向發展，一是與沉積和地層有關的煤盆地質學；一是煤巖學研究。英國的M.C.斯託普絲在30年代將煤的顯微組分與共生巖石組合聯繫起來，在煤巖學方面做了開拓性工作。中國謝家榮在30年代提出了中國特有煤巖類型。
在構造地質和大地構造，特別是涉及全球構造研究方面，19世紀霍爾、丹納提出地槽學說，經C.舒克特、德國的W.H.施蒂勒（1936、1940）、美國的G.M.凱依進一步研究，區分出地槽的不同類型，並討論了其發育歷史。施蒂勒提出的優地槽和冒地槽類型、沉積的和巖漿活動的序列特徵，以及造山帶的概念，在構造地質學中有著重要影響。20世紀30年代，前蘇聯的B.B.別洛烏索夫和Н.С.沙茨基分別提出了「地槽回返」的概念。60年代，J.奧布萬對地槽學說進行了回顧和總結。
在20世紀20～30年代，中國地質學家，如翁文灝、丁文江、李四光都對造山運動作了研究。李四光用地球自轉速度變化解釋地表大規模構造運動的成因，這是中國學者首次對全球構造作出自己的解釋。李四光概括分析了東亞不同的構造型式和構造體系。在《中國地質學》專著中，進一步釐定了不同的構造體系及其形成機制，在40年代正式提出地質力學的學科體系及學術觀點。50年代以後，地質力學在構造理論和礦山、油田構造應用方面都取得了重要的成果。40年代，黃汲清發表了關於中國主要構造單位的專著（1945），全面論述了中國的大地構造分區和構造發展史，提出多旋迴造山觀點，具有廣泛的影響。張文佑50年代以斷裂構造體系為指導，編制了第一幅1:400萬中國大地構造圖，其理論體系在80年代發展成為斷塊學說。
大陸漂移說
對地球構造史的研究必然會同全球構造和大陸的歷史演變聯繫起來。修斯和奧格都對全球構造作過概括和總結。20世紀初，地球冷縮說仍佔統治地位，海陸固定論是正統的觀點。但活動論已經開始興起。固定論同活動論的爭論成為20世紀地質學界重要事件之一。
美國的F.B.泰勒根據歐亞大陸第三紀山脈多呈弧形向南彎曲的現象，於1910年提出地球旋轉產生的離極力導致大陸向南擠壓和運移的思想。活動論的主要代表是德國的A.L.魏格納。魏格納發表了《大陸的起源》（1912）和《海陸的起源》（1915），系統、全面地闡述了大陸漂移思想。他指出，地球冷縮說不能解釋山脈分布格局，均衡學說又否定了大陸原地沉入海洋的可能性。他用大量的古生物證據，特別是中龍（Mesosaurus）和舌羊齒（Glossopteris）的分布，以及古氣候的證據等，論證了古生代末聯合古陸的存在及其在中新生代的解體和漂移，用以解釋大西洋兩岸的輪廓、地形、地層、地質、構造、古生物群的相似性。但他未能提出令人信服的大陸漂移力源和機制，引起了強烈反對。大陸漂移說在20～40年代進入低潮。但活動論的支持者仍在探討研究大陸漂移理論。英國的J.喬利在1925年提出「放射性熱循環說」、霍姆斯於1928年提出「地幔對流說」，南非的A.L.杜多瓦於1937年提出「大陸船說」。瑞士的E.阿爾岡、美國的R.A.戴利等也表達了活動論的觀點。所有這些，都為60年代活動論的再次興起準備了條件。
地質學的新階段及板塊構造學說
20世紀60年代發生的地學革命，特別是板塊構造學說的興起及其對一系列地質分支學科的影響，使整個地質學和地球觀發生了深刻的變化，這個變化在繼續發展。60年代以來，出現了地質學發展的新階段。
以板塊構造學說為中心的地學革命引發和推動了許多地質學科的革新。20世紀60年代以前是板塊學說的準備時期。板塊學說是以活動論和大陸漂移說為前提，以海底地質和古地磁的發現為前導的。20世紀初，英國J.默裡等已做出了大西洋洋底地貌圖。美國R.A.戴利和荷蘭的P.H.奎年先後發現和研究了深海濁流沉積。F.P.謝潑德（1948，1962）總結了海底地質和地貌。50年代美國B.C.希曾出版了《海底》一書，提出洋脊和全球裂谷系的觀念。50年代英國的P.M.S.布萊克特和S.K.朗科恩發現了古磁極隨時代發生系統位移的現象，有力地支持了大陸漂移說。40年代H.貝尼奧夫研究了深源地震分布帶，發現了自洋向陸約45°的貝尼奧夫帶傾斜面。1964年E.C.布拉德用計算機拼合出聯合大陸圖。所有這些都為板塊學說的提出準備了條件。
60年代是板塊學說的建立期。60年代初，美國的H.H.赫斯根據洋底磁條帶、環太平洋島弧，海溝及其與火山、地震活動的關係以及洋脊系統及其裂谷的屬性，提出了海底擴張理論。1965年英國的E.J.瓦因等對海底磁異常條帶成因作出了合理的解釋。1965年J.T.威爾遜提出轉換斷層的概念，並首次使用板塊（plate）一詞，再經W.J.摩根和X.勒皮雄的補充，形成了完整的板塊構造學說。它將地球表面分為若干個大小不等的板塊，其邊界或為新地殼形成的洋底隆起，或為地殼削減的海溝，或為地殼不增不減的轉換斷層，板塊下界大致為約100公裡深的地幔低速層，構成軟流圈的頂界，其上則稱巖石圈。
板塊學說提出後，70年代掀起對許多主要地質問題重新評價和解釋的高潮，大陸上的盆地沉積、巖漿活動、造山帶以及古生物地理等，特別是古板塊的邊界和古大陸再造等方面，成為地質學重要的研究內容。美國C.L.德雷克首先注意到大陸邊緣地質。英國J.F.杜威注意把地槽造山帶與板塊學說的結合，研究了歐美各大造山帶。日本上田誠也提出了太平洋型的造山帶，都城秋穗研究了日本板塊，提出島弧火山巖序列。英國A.海勒姆把古生物地理同板塊構造聯繫起來。最後，美國的A.M.齊格勒和C.R.斯科泰塞根據古地磁、古氣候等資料做出了古大陸系列再造圖。K.C.康迪以板塊觀點對全球構造作了綜合論述。在80年代，他根據北美西部大陸邊緣構造的研究，提出了地體概念，以原本不相連接的地體拼合增生，解釋複雜的造山帶，使板塊構造取得進一步的發展。
地學革命和新概念的建立還表現在生物史和地球史的認識方面。60年代紐厄爾分析了生物界在地質時期的大量絕滅問題。在生物演化方面，漸變與突變的關係及其相對重要性一直存在爭論。70年代美國的N.埃爾德雷奇和S.J.古爾德提出了間斷平衡論，以突變和漸變的相互交替說明生物演化的總過程。德國的O.H.申德沃爾夫於1963年提出新災變論，用地球以外的因素解釋生物大量絕滅事件。地球以外因素的周期性規律也被用以解釋地史發展中的旋迴和階段劃分現象。
80年代同位素測年技術不斷取得古老的巖礦年齡值，將地質史的研究推向遠古，引發了人們研究地球早期歷史的興趣。化石處理技術、地球物理探測和巖礦實驗技術的提高，開拓了深部地質的研究領域，也為探討地球早期生物界及環境條件提供了手段。美國的J.W.肖普夫對前寒武紀的生物界進行了總結，英國的B.F.溫德利和加拿大的A.M.古德溫對早期大陸地殼的發展作了綜合的探討，特別對高級變質區和花崗巖-綠巖帶作了研究。德國的A.羅呂納著重討論了板塊機制應用於早期地質的問題，認為與現代可相類比的板塊運動大約開始於晚元古代。
在中國70年代尹贊勳和李春昱介紹和引進了板塊構造學說。在黃汲清的指導下，任紀舜等結合板塊構造觀點編制了1:400萬中國大地構造圖。李春昱等以板塊理論為指導，編制了1:800萬亞洲大地構造圖。80年代，張文佑以斷塊學說為主，吸收板塊思想，編制了1:500萬中國海陸大地構造圖。1986年楊遵儀、程裕淇、王鴻禎合著《中國地質》，在系統論述地層和巖漿活動的基礎上，以活動論板塊觀點和階段論的觀點解釋了中國地質構造發展史。
從70年代以來，中國地質學者積極參加了國際合作對比計劃和巖石圈計劃的學術活動，在青藏地質和前寒武紀地質的研究方面取得了重要成果，推動了中國地質科學與國際地質科學共同前進。