洪堡德把自然地理环境看成一个整体，应用经验的和归纳的比较法，对不同区域、不同地理环境进行比较研究，认为地球表面各种自然现象之间存在着因果上和区域上的相互联系。他根据大量实地考察资料，论证了植物的水平分布和垂直分布与气候的关系，创立植物地理学；还首创世界等温线图，研究了气候的形成和分布，成为近代气候学研究的开端。洪堡德的贡献为自然地理学成为一门独立的分支学科奠定了基础。
19世纪60年代开始，德国佩舍尔提倡用发生学观点来研究地球表面的自然特征，为自然地理学确立了地理学中分支学科的地位。李希霍芬创立了关于自然现象世界分布的一般概念，把自然地理学的研究论题引向地志学，即阐明特定地区内务种事物相互因果关系。地志学的概念受到赫特纳支持并加以详细论述，他的思想对德国自然地理学进展有深远影响，其重要结果是将注意力转向研究人类及其周围自然界与生物环境之间的关系。
19世纪后期到20世纪初期，彭克探讨了地形的成因和形成过程，创用“地表形态学” 一词。他还将阿尔卑斯山的第四纪冰期划分为3个间冰期和4个冰期，对冰川学和第四纪地质学作出重要贡献。20世纪初，施吕特尔提出景观研究是地理学的中心目的，用历史地理学方法探索文化景观从原始(或自然)景观演化的现象和过程。他把自然地理学研究的注意力引向研究人类活动所创造的人类居住地。20世纪30年代末期，特罗尔创建景观生态学，对德国自然地理学的发展同样有着深刻影响。
19世纪后半期，美国正处在西部大勘测时代，戴维斯在进化论思想影响下提出了侵蚀轮回学说，并提倡用“地形的解释性描述”来阐述地貌发育过程，对地貌学的建立和发展起了重要作用。以后，德国彭克又提出地貌演化学说。
19世纪后期，在德国地理学思想影响下，俄国沃耶伊科夫从事地球热量与水分子衡研究，主张重视人类对环境的影响。俄国自然地理学创始人道库恰耶夫在论述土壤形成时提出自然综合体概念，并建立了自然地带学说。以后，他还提出地理景观概念，认识到人是地球表面的一个主要变动力量。
20世纪前半期。贝尔格、格里戈里耶夫等发展了自然地带学说和景观学说，为发展自然地理学基本理论作出重要贡献。与欧美不同，苏联地理学家非常重视自然地理学研究，通常把研究注意力放在自然环境各个要素方面，自然地理学内部分化明显，在自然区划、景观制图、地球化学景观、生物地理群落和古地理学等方面研究取得显著进展。
中国近代地理学是在引进欧美近代地理学的基础上逐步形成的。1908年，张相文编著了中国最早的自然地理学教科书《地文学》，开创了中国近代地理教育。从20年代起，竺可桢对气候学进行了广泛深入的研究。中国地理学者对中国的地貌、气候、水文、土壤和植被等进行广泛的考察研究，从50年代起对青藏高原、黄土高原、新疆、黄淮海平原和海岸带，以及冰川、冻土、沙漠等进行了系统考察，自然区域研究迅速发展。
从60年代开始，地理学出现了重大变革，建立了地理系统学说，从学科分化走向新的综合。在综合研究的基础上，又发展了新的分支学科。在研究方法上，引进了电子计算机和遥感技术，加强了定量分析研究。
这时期的自然地理学注重定量分析，并把定量分析和定性分析紧密结合。主要是通过建立综合性实验站和使用遥感技术，观测自然地理系统内的能量和物质的转换形式、动态过程，获取范围广和连续的各种自然地理信息，应用数学方法和电子计算机处理和分析各种信息，通过模拟实验建立系统结构模式和动态变化的数学模式等，深入研究自然地理系统的结构特征，预测变化趋向。
注意运用生态学的观点对自然地理系统进行研究，注重人类对环境作用的后果，并由此而发展了生态地理学、景观生态学等。