由于
地球科学以庞大的地球作为研究对象，并具有很强的实践性和应用性，所以它的
研究方法与其他自然科学有较大的差异。它既要借助于数学、物理、化学、生物学及天文学的一些研究方法，同时又有自己的特殊性。
地球科学的研究方法与其研究对象的特点有关，地球作为其研究对象主要有以下特点：
（1）空间的广泛性与微观性
地球是一个庞大的物体，其周长超过4×104 km，
表面积超过5×108 km2。因此，无论是研究
大气圈、水圈、
生物圈以及固体地球，其空间都是十分广大的。这样一个巨大的空间及物体本身由不同尺度或规模的空间和物质体所组成。因此，要研究庞大的地球，就必须研究不同尺度或规模的空间及其物质体，特别是要注重研究微观的空间和物质特征，如不同学科都要研究其相应对象的化学成分、
化学元素的特性等。地质学要研究矿物晶体结构，水文学和海洋学要研究水质点的运动等，气象学要研究气体分子的活动等。而且，整个地球系统是一个开放的动力系统，其与宇宙环境（地-月系、
太阳系及银河系等）之间总是不断地进行着物质、能量的交换；地球系统中各种自然现象、作用过程的发生、发展和演化与其所处的宇宙环境是分不开的。因此，现代地球科学已开始充分重视宇宙环境对地球系统的影响研究；也就是说研究的空间范围还要超越地球系统，涉及更加宏观的宇宙环境（图0-1）。只有把不同尺度的研究结合起来，把宏观和微观结合起来，才能获得正确的和规律性的认识。
（2）整体性（或系统性）与分异性（或差异性、多元性）
整个地球是一个有机的整体，是由不同层次的、具有紧密联系的子系统组成的统一系统；不仅在空间上地球的内部圈层、外部圈层都表现为连续的整体性，而且地球的各内部圈层之间、内部与外部圈层之间、各外部圈层之间也都是相互作用、相互影响、相互渗透的，某一个圈层或某一个部分的运动与变化，都会不同程度地影响其他部分甚至其他圈层的变化，这也充分表现了它们的有机整体性。然而，地球也是一个非均质体，它的不同的组成部分（或子系统）无论在物质状态还是运动和演变特点上都具有一定的差异，表现出分异性或多元性。例如，不同地区的地理环境、气候环境具有明显的差异，不同地区的水文条件也具有明显差异。固体地球特别是地壳的不同地区或不同组成部分的差异性更为显著，如大陆、海洋、山系、平原等。这种差异性不仅表现在空间和物质组成上，也表现在它们的运动、变化与形成、发展上。
（3）时间的漫长性与瞬间性
据科学测算，目前可追溯的
地球年龄长达46亿年。在这漫长的时间里，地球上曾发生过许多重要的自然事件，诸如海陆变迁、山脉形成、
生物进化等。这些事件的发生过程多数是极其缓慢的，往往要经过数百万年甚至数千万年才能完成。短暂的人生很难目睹这些事件发生的全过程，而只能观察到事件完成后留下来的结果以及正在发生的事件的某一阶段的情况。但是，有些事件的发生可以在很短的时间内完成。例如，天气现象往往表现为几天、几小时甚至更短的时间，地震、
火山爆发等也都发生在极短的时间内。
（4）自然过程的复杂性与有序性
地球演化至今经历了复杂的过程。其中既有物理变化，也有化学变化；既有地表常温、常压状态下的作用过程，也有地下深处高温、高压状态下的作用过程。此外，各种自然过程还会受地区性条件的影响而具有地区的差异性。所以，自然过程是极其复杂的，而且这种过程由于其漫长性和不可逆性，依靠人类的力量很难完全重塑和再现其过程，因而更增添了地球科学研究工作的艰巨性。但是，这些复杂的自然过程并不是杂乱无章的，它们都具有其发生、发展的条件和过程，都具有一定的规律可循，这也正是地球科学工作者的重要研究任务。