В средние века в Европе официальное признание получила геоцентрическая концепция Птолемея. В основе ее лежало представление о том, что центром Вселенной является плоская Земля. А на окружающих ее хрустальных сферах размещаются Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Затем следует сфера неподвижных звезд и «царство небесное», населенное ангелами, архангелами и богом — творцом мироздания. Земля и весь органический мир объявлялись неизменными «от создания». Единственным событием, нарушившим однажды ее покой, считался «всемирный потоп».

В VIII—ХIII вв. геологические знания накапливались в Средней Азии, странах арабского Востока, где развивались идеи античного мира, изучалась природа Земли, геологических явлений, а также минералов и руд. На рубеже I—II тысячелетий великий таджикский философ Абу-Али-Ибн-Сина, известный под именем Авиценны, составил научную классификацию минералов, подразделив их на четыре класса: камни, горючие ископаемые, соли и металлы. Эта классификация просуществовала до начала XIX столетия. Знаменитый ученый из Хорезма Аль-Бируни (972—1048) в труде «Собрание сведений для познания драгоценностей» привел многочисленные данные об известных в то время минералах и их месторождениях в Средней Азии, Китае, Индии и других районах. Аль-Бируни выдвинул идею о гелиоцентрической системе мира и шарообразности Земли; определил длину окружности земного шара.

В Европе геологические знания продолжали долгое время оставаться в зачаточном состоянии. Однако новые сведения об устройстве поверхности Земли накапливались в процессе многочисленных путешествий, предпринимавшихся европейцами в поисках новых источников сырья и рынков сбыта.

В 1490 г. Мартин Бехайм создал первую модель Земли — земной глобус, но был осмеян за нехристианскую гипотезу. В 1492 г. Христофор Колумб открывает Америку. Васко да Гама в 1497 г. огибает мыс Доброй Надежды и открывает морской путь в Индию. А в 1519— 1522 гг. Магеллан совершает первое путешествие вокруг Земли. Оно венчает все достижения эпохи великих путешествий, раз и навсегда устанавливая факт шарообразности Земли. «В один прекрасный день все, до сих пор определенное, оказалось под вопросом, все вчерашнее — устаревшим на тысячу лет и изжившим себя; птолемеевские карты Земли, непререкаемая святыня для двадцати поколений, после Колумба и Магеллана стали посмешищем для детей» — так об этой эпохе позднее напишет известный немецкий писатель Стефан Цвейг.

Крушение птолемеевской системы связано с именем великого польского ученого Николая Коперника (1473— 1543). В своем гениальном труде «Об обращении небесных кругов» он доказал, что Земля является не центром Вселенной, а всего лишь небольшой и постоянно движущейся вокруг Солнца планетой.

В эпоху Возрождения были заново высказаны некоторые идеи ученых античного периода. В конце XV в. великий итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452— 1519), обобщив наблюдения в процессе строительства каналов и крепостей, пришел к выводу, что любая часть земли, которая обнажается при размыве реками, уже была земной поверхностью, видимой Солнцу. Леонардо да Винчи утверждал, что остатки морских раковин, содержащиеся в высоких горных хребтах, принадлежат животным, оставленным здесь морем в те далекие времена, когда оно простиралось за пределы своих современных границ. Он высказал интересное суждение: «Суша нашего полушария поднялась настолько выше обычного, насколько она облегчилась от воды, ушедшей от нее по лощине Кальпе и Абила».

Подобные представления о существовании в изменениях земного лика закона равновесия три с лишним века спустя получили название принципа изостазии (греч. «исос» — равный, «статос» — состояние).

Исключительно большое значение для дальнейшего развития геологии имели результаты исследований датского натуралиста Николауса Стено (1638—1687) во Флоренции. Он отметил, что осадочные горные породы образуют слои, характеризующиеся определенной последовательностью напластования и различной протяженностью, и высказал следующие положения: каждый слой Земли образовался в результате осаждения в воде; слой, заключающий обломки другого слоя, образуется после него; всякий слой отложился после того, на котором он залегает, и ранее того, который его покрывает; слой имеет определенную протяженность. Н. Стено объяснил нарушение залегания горизонтальных слоев и образование гор действием «огня и воды», тектоническими движениями. Им высказана идея о том, что геологическая история намного продолжительнее библейских 6000 лет.

Несмотря на отмеченные достижения, большинство ученых в XV—XVII вв. в области геологии по-прежнему увлекались умозрительными рассуждениями, нередко стараясь увязать свои воззрения с религией. Выводы Леонардо да Винчи были забыты. Окаменелости и рельеф земной поверхности продолжали рассматривать как остатки всемирного потопа, описанного в Библии.