地球化学的产生和发展与地质学、化学、海洋学、天文学等学科的发展有着密切的关系，同时，地球化学的发展也推动着这些学科的发展。地球化学以化学（无机化学、有机化学、物理化学、胶体化学、热力学、化学动力学、分析化学等）和地球科学（地质学、矿物学、岩石学、矿床学、地理学等）为基础，汲取了数学、物理学、计算机科学、海洋科学、大气科学、天文学、比较行星学、环境科学、生态学、生物学、医学、农学、土壤科学等学科的精髓。一方面，地球化学的发展促进了地球科学的向纵深发展，促进了社会繁荣和可持续发展；另一方面，地球化学学科本身也在为完成这几大基本任务的奋斗中得到迅速发展。
由于地球化学是一门理论性和应用性并重并且不断发展的学科，地球化学和其他学科不断相互渗透，于是便产生许多分支学科。这些地球化学的分支学科也具有生命力旺盛和正在发展的特征。下面对地球化学一些主要分支学科作一简述。
（1）元素地球化学
元素地球化学是最早和最经典的地球化学分支学科。美国的克拉克、中国的黎彤等地球化学家早期的研究工作都是从元素地球化学入手的。现今元素地球化学的研究内容主要有地球和部分天体中元素的性质、丰度、赋存状态、迁移形式、富集和分散规律、演化和循环历史等地球化学特征。
（2）量子地球化学
量子地球化学是20世纪70年代初晶体化学、量子化学（量子力学）、矿物学、固体物理学等学科交叉的结果。它“研究矿物中的化学键或‘电子结构’，矿物的晶体结构及其稳定性，矿物的物理和化学性质，化学元素的地球化学分布，相平衡和元素分配，晶体结构随温度、压力和成分的改变（比较晶体化学），矿物能量学以及矿物的谱学性质。量子地球化学的核心问题是用量子力学理论和各种谱学方法研究矿物中的化学键或‘电子结构’”。量子地球化学研究包括理论和实验两部分。理论研究就是应用量子力学理论，为所研究的地球化学物种对量子力学运动方程（薛定谔方程）求（近似）解。实验研究就是要用各种谱学方法来确定某物种的电子结构（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（3）地球化学热力学
地球化学热力学是应用热力学基本原理研究地学系统的状态变化所产生的一门地球化学分支学科，它主要研究能量及其转换，解决自然界过程的方向和限度问题，即平衡态问题。其主要研究内容有：自然热液体系的热力学；矿物相平衡；矿物热力学性质；矿物固溶体热力学；硅酸盐熔体的热力学；流体-岩石相互作用；非平衡非线性热力学；计算机模拟和模型化研究等（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（4）地球化学动力学
地球化学动力学是动力学基本原理应用到地球化学过程研究所产生的一门地球化学分支学科，它研究自然过程的速度和机制问题，包括化学反应速率的化学动力学和物理运动的动力学，主要指的是流体动力学、扩散和弥散等（中国科学院地球化学研究所，1998）。目前地球化学文献中将化学动力学和动力学划分为两个学科。化学动力学（Kinetics or Chemical Kinetics）研究化学反应的速率和反应历程（或反应机制，指反应物分子在变为产物分子的过程中所经历的具体途径与步骤）。而动力学（Dynamics）则是研究物体在力的作用下宏观运动的速率和机制。在地球科学实际研究和应用中，化学动力学和动力学二者兼而有之，不宜截然分割。所以，国内外学者用“地球化学过程的动力学”（简称地球化学动力学）来反映地球化学研究中的化学动力学和动力学问题（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（5）同位素地球化学
同位素地球化学主要采用地质年代测定和同位素示踪研究手段，研究地球和宇宙物质中核素的形成、丰度，以及根据这些核素在自然作用中的衰变和分馏来追踪各种地质地球化学过程。同位素地球化学包括放射性同位素地球化学和稳定同位素地球化学。放射性同位素地球化学主要根据放射性同位素的衰变进行地质体系计时，以及根据放射成因产物子体同位素组成进行示踪分析。稳定同位素地球化学主要利用轻稳定同位素在自然界中的分馏进行地质作用示踪（陈道公等，1994）。
（6）实验地球化学
实验地球化学是地球化学中一门比较年轻的分支学科，对其定义还没有统一的认识。人们一般认为，实验地球化学是在实验矿物学和实验岩石学基础上发展起来的，它主要涉及流体相的地球化学过程中化学元素（包括同位素和有机质）的行为和反应机理的实验研究（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（7）天体化学
天体化学又称空间化学（Space Chemistry）或宇宙化学（Cosmochemistry），是地学、空间科学与天文学相互交叉渗透而产生的一门新兴科学。空间化学研究宇宙空间元素及其同位素的起源与分布、各类天体的化学组成与化学演化。浩瀚宇宙中的物质由基本粒子构成了100多种元素、2000多种同位素和各种化学物，天体化学研究这几个层次物质的时空分布、存在状态和演化规律（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（8）岩石地球化学
岩石地球化学是近代岩石学与地球化学的交叉学科。它以地球化学的基本原理、实验方法和研究成果，去探讨各类岩石学问题，从中引申出地质含义（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。岩石地球化学的研究内容主要涉及火成岩、沉积岩和变质岩中主元素、微量元素与同位素的地球化学组成、作用与演化。从研究地球或天体物质的岩石成因入手，进而研究地球的起源、演化与资源环境效应等问题。
（9）区域地球化学
区域地球化学的倡导者为A.E.费尔斯曼。根据费尔斯曼的意见，区域地球化学的任务是研究化学元素在一定区域中的时间和空间分配、分布、迁移和集中-分散规律。现代区域地球化学是以区域岩石圈——全球岩石圈的子系统为对象，开展有关该子系统化学组成、化学作用和化学演化综合研究的地球化学分支学科（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（10）构造地球化学
构造地球化学思想萌芽于19世纪（H.C.Sorby），在 20世纪 60年代由范菲（W.C.Fyfe）和陈国达等人奠定理论基础。构造地球化学是构造地质学和地球化学的交叉学科，它研究构造作用下地球（主要是地壳）中元素在流体和固相岩石中的赋存状态、分配和迁移、分散与富集等地球化学过程。陈国达在1976年和1984年多次指出：“构造地球化学是一门介于构造地质学和地球化学之间，研究各种地质构造作用与地壳中化学元素的分配和迁移、分散和富集等关系的学科。它的主要任务是研究地质构造作用与地球化学过程之间，也就是运动和物质之间在时间、空间和成因上的联系，把形成与形变、建造与改造统一起来加以研究”（吴学益，1998）。
（11）深部地球化学
深部地球化学又称地球深部物质科学。这一分支科学主要研究地球深部（特别是地幔和地核）的化学组成、化学作用和化学演化。这方面包括理论研究和实验研究。理论研究主要是运用地质学、地球化学、地球物理、岩石学、矿物学、构造地质学等基本原理，构筑深部地球模型。实验研究主要依托金刚石压腔和大腔体实验技术、静态超高压实验技术、超深钻探技术等的发展而发展。其研究内容为：①地球深部物质的物理和化学性质的研究；②地球内部物理和化学性质的研究；③地球演化及地球动力学研究（谢鸿森等，1997）。
（12）矿床地球化学
矿床地球化学以研究矿产资源为主要对象，是矿床学与地球化学相结合的一门交叉学科，它主要是用地球化学的理论和方法来研究矿床学。矿床地球化学一方面包含和继承了经典矿床学、地球化学的理论和研究方法，同时也引进了地学领域以外的数理化等方面的一些理论知识和研究手段。矿床地球化学不仅要研究矿床本身的化学组成、化学作用和化学演化问题，而且还要研究矿床形成的成矿过程和矿床形成后的保存与演化（李朝阳，1999）。
（13）勘查地球化学
勘查地球化学（Exploration Geochemistry）是从地球化学探矿学（或地球化学找矿学Geochemical Prospecting，Geochemical Exploration）发展起来的一门新兴应用学科。西方国家对地球化学找矿的定义是：“地球化学找矿是基于系统地测定天然物质的一种或数种化学性质的任何矿产勘查方法”（H.E.Hawkes et al.，1962）。前苏联学者认为：“地球化学找矿是根据基岩及覆盖层中、地下水及地表水流中、植物中、土壤中和气体中的含矿物质不明显的微观分散晕以发现矿床的一种找矿方法”（В.Ч.克拉斯尼科夫，1955）。在早期，地球化学产生了一门以矿产勘查为目的的应用学科，被称之为化探（地球化学找矿）。后来，地球化学找矿从理论上、方法上和技术上有了迅速进展，特别是应用领域发生了很大的变化，从纯粹的找矿地球化学领域扩展到环境地球化学、工程地球化学、农业地球化学等领域。所以，化探（地球化学找矿）这一名词逐步被勘查地球化学所取代。
（14）低温地球化学
低温地球化学主要研究自然界中200℃以下的地球化学作用和演化过程，也包括常温和零摄氏度以下的元素被萃取、活化、迁移与富集成矿的地球化学行为。过去，低温地球化学研究领域之所以较长期处于薄弱状态，原因主要是：①过去的地球化学实验大都是在中高温条件下进行的；②过去成岩成矿测温数据不够多和不够完善；③长期以来人们对元素活动性的理解存在片面性，未认识到低温条件下元素的较强烈的地球化学活动性；④一些低温交代作用，过去被误认为是高中温热液的产物。20世纪90年代以来，在涂光炽倡导下，我国开展了低温地球化学的研究。目前已建立和完善了低温地球化学实验研究体系，总结了我国若干低温矿床和矿化层位的地球化学特点，研究了金、银、铂族金属、稀土元素和某些分散元素的低温地球化学行为和某些非金属的低温成矿作用，分析成矿、埋藏变质的低级变质作用中成矿元素的迁移和富集过程，进行了低温条件下某些成矿元素的活化、迁移、沉淀实验，建立了低温开放体系中水-岩相互作用模型（涂光炽，1998）。
（15）有机地球化学
B.И.维尔纳茨基在20世纪20年代初期先后发表了《生物圈》等著作，筹建了世界上第一个有关有机地球化学的“活质实验室”，标志着有机地球化学开始萌芽。之后，随着石油地质学和石油工业的发展，由于地质学、沉积学、生物学、有机化学、石油地质学等学科的发展和相互渗透，有机地球化学得到长足发展。其定义为：有机地球化学主要研究天然产出有机质的组成、结构和性质，它们在地质体中的分布、转化和参与地质营力的作用等（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
值得指出的是，地球化学另一分支——生物地球化学，与有机地球化学有一定的关联。所以不单独列出。可以认为，生物地球化学也是在20世纪20年代初期萌芽的，它是研究生物圈中在生物有机体参与下发生的地球化学过程，揭示有机体与其环境在化学元素组成上的相关关系，查明地球化学省及其与地方病的关系，侧重生物和人类活动对碳、氮、磷、硫等元素地球化学循环的影响（国家自然科学基金委员会，1996）。
（16）环境地球化学
环境地球化学研究人类活动与地球化学环境的相互关系，是地球化学与环境科学相互渗透而产生的新兴边缘学科。它从地球环境的整体性和相互依存性的观点出发，以地质学为基础，综合研究化学元素在地-水-气-生-人环境系统中的地球化学行为，揭示人为活动干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源开发利用、环境质量控制及人类生存、健康服务（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（17）流体地球化学
近十多年来，通过从火山、地震、海底热液、超深钻、非生物成因天然气、岩石矿物中流体包裹体等直接探测和观察地球内部流体，同时进行流体-岩石相互作用的野外和室内实验研究，获得许多重要发现和认识上的飞跃，完善了流体地球化学的研究体系（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。流体地球化学研究越来越引起人们的重视。例如，1993年和1997年两次召开“Geofluid”国际学术会议，“流体地球化学”1996年开始作为大学（成都理工学院）研究生课程，1997年，“流体地质与成矿效用”被列为国家攀登计划预选项目等等。流体地球化学主要研究自然界流体的形成、运移、定位（改造、演化、卸载和储存等）规律，重点探索流体地质作用过程中的地球化学规律、原理和效应。
（18）气体地球化学
气体地球化学主要是研究自然界各种气体的地球化学特征、成因类型、运移、聚集规律及其所参与的地球化学动力学过程和表征的地质学意义（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。
（19）农业地球化学
农业地球化学主要研究土壤中元素分布、分配规律、成壤的地球化学过程、土壤的利用和改良、农业污染及其防治，以及土壤地球化学环境与农产品（特别是粮食）产量、质量的关系。它在目前人口剧增、耕地锐减、土地负载力下降的严峻形势下有着重要的经济意义（国家自然科学基金委员会，1996）。
（20）海洋地球化学
狭义的海洋地球化学是指海底地球化学。20世纪60年代以前一直处于资料积累阶段，60年代之后，随着大洋锰结核的大规模调查、海底热水硫化物的发现、深海钻探、国际海洋调查等一系列事件，推动了海洋地球化学的迅速发展（国家自然科学基金委员会，1996）。现代海洋地球化学的定义为：研究海洋环境下的各种地球化学作用过程和在这些过程中化学元素的行为规律和自然演化历史（欧阳自远，倪集众，项仁杰，1996）。