古地理学通过研究岩石和地层，揭示了不同环境的特征。变质岩和岩浆岩的分布揭示了古造山带、火山岛弧带和地震带的分布，这对于理解地质时期地球表面的变化至关重要。
沉积岩的特征，如颜色、矿物成分、粒度和化石，可以揭示沉积环境。例如，深海环境中只有海生生物化石，石灰岩的鲕状构造和浊积岩的分选差，分别指示了浅海暖水和半深海大陆坡环境。沉积物的性质还揭示了海水的温度、盐度、清澈度和氧含量等条件。
陆相沉积物中，冰碛物和冰川痕迹反映了古气候环境，如寒冷的冰川气候和更新世时期气候的反复变化。第四纪黄土的分布，如欧洲和北美在冰川边缘的黄土，揭示了当时的苔原和草原环境。黄土沉积率的变化则反映了气候的温暖和寒冷期交替。
红层的形成，特别是高价氧化铁和氧化铝的存在，表明了暖热且有显著干湿季节差异的气候。古沙丘和洪积扇群则反映了过去的干旱环境，沙丘排列和交错层倾向可指示风向。蒸发岩，如石盐和石膏，主要在封闭盆地内的浅水环境中形成，是干旱环境的标志，多层蒸发岩的沉积显示了干湿环境的交替。
研究和重建地质时期地球表面自然地理现象的学科。它属于自然地理学范畴，是地质学与自然地理学之间的边缘学科。通常将全新世以前（约距今 1万年以前）的自然地理环境研究归属于古地理学的范围，但也涉足距今 1万年以后至文字出现以前的先史时期的内容。