20世纪是现代地球科学发展的新时期，在这一过程中，传统的地球科学发生了一系列的革命，其中影响最为深远的是固体地球科学（包含地质学和地球物理学等）的革命。
固体地球科学的革命主要是大地构造理论上围绕活动论与固定论发生的思想革命。传统的地质观念认为，大陆及海洋只在原来的位置上作垂直升降运动，其相对位置未发生显著变化，故被称为“固定论”，“地槽”、“地台”说是其典型代表。“活动论”者认为，大陆曾有过长距离的水平运动，大陆和海洋的相对位置是不断变化的。代表“活动论”的大地构造学说是“大陆漂移-海底扩张-板块构造学说”。经过近半个世纪的争论，到本世纪60年代末期，以现代地质及地球物理研究成果为基础的板块构造学说取得了决定性的胜利，并由此推动了地质学与地球物理领域的一场深刻革命。
与此同时，随着科学技术的进步，本世纪的地质学获得了前所未有的全面发展。高温高压实验技术、同位素地质年龄测定技术、电子计算机、电子显微镜、大陆超深钻与深海钻探技术等给地质学的发展以极大的推动作用，使地质学逐步由定性描述与分析向半定量、定量分析与研究发展。地球物理、地球化学方法在研究地球及地壳的物质组成、结构构造及运动特征方面取得了丰硕成果，成为推动地质学发展的强大动力。航天技术在地质学上的应用取得了重大成就，以航天技术为基础的新兴的天文地质学显示出旺盛的生命力。这些研究将为人类最终了解地球起源与演化、解决许多重大地质问题发挥重要作用。
地质学的应用是促进地质学发展的动力，本世纪除传统的矿床学不断发展，提出了许多新理论之外，石油地质学的发展尤其令人瞩目。水文地质、工程地质、地震地质等的研究也发展迅速。特别是本世纪中期以来，环境地质研究的重要性越来越引起人们的注意，正在向纵深方向发展。
20世纪在地理学上也发生了重要的革命，特别是研究方法与手段上的革命，通常称为地理学的计量革命。20世纪50年代，地理学开始采用现代数学方法分析地理问题。1955年，美国华盛顿大学地理系在加里逊主持下开设第一个应用数理统计研究班，推动计量地理学发展。1963年伯顿提出“计量革命”口号，60年代初这一趋势推向欧洲和全球。地理学计量革命的实质是用现代数学方法和计算机，运用模型和模拟，使地理学的理论精确化，计算快速化，从传统的定性分析向定性和定量分析相结合过渡。60年代以来，在计量革命的推动下，人们把地理环境和区域看作是一个系统，大量地应用电子计算机、遥感、遥测等新方法，对系统及其相互作用进行模式化、公式化，用数字、图像等定量表达人地关系，说明区域差异与变化，从而对地理环境的演化进行科学预测，以期达到人地关系的最优化。这样，使地理学由以前的现象描述发展到科学解释和定量预测的新阶段。与此同时，由于社会的需要，应用性的地理分支学科大量涌现，如工程地理学、环境地理学、资料地理学、应用景观学等。
20世纪气象学的革命性变化更是不可同日而语。在20世纪的前50年，气象观测开始由传统的地面观测向高空发展，主要以风筝、气球等为高空观测工具，其所达到的高度是有限的。50年代以后，由于观测系统有了激光、雷达、人造地球卫星等新技术与新手段，大大地推进了气象学的发展。大规模的综合遥测、遥感，使得几小时的短期灾害性天气预报不再是纯预报问题，而变成了对实况的跟踪与真实预报。电子计算机的大量利用，使得对大气现象定量地进行数值模拟成为现实。这些研究的进步还大大促进了气象学基础理论的发展。
地球科学的全面、飞速发展，还使得20世纪以来诞生了一些新兴的分支学科，如地球物理学、海洋学与环境地学等。海洋学与环境地学都与人类现今的生活、生存及未来的发展有着极其紧密的联系，因而受到科学工作者及整个社会的高度重视，它们在地球科学中的地位也愈来愈重要。