自然地理学方向的古地理学从时间的视角阐释现代自然环境的形成演变机制，将古地理环境重建作为认识现代自然地理环境及其与人类关系的一种视角和手段，认为现代自然地理环境对古地理环境具有继承性，即现代自然地理环境的每一个特征，都有一定的发展历史，只有查明它的历史过程，才能深刻了解现代自然环境的特点。

地理学是时空耦合的科学，不仅研究地域的空间差异，同时也研究环境随时间演变的过程，即环境演变。对环境的变迁朴素认识在中外的历史上早已有之，中国唐代颜真卿（709～784）、宋代沈括（1032～1096）等都曾以山顶、山崖中所见的螺蚌壳为证据，阐述了海陆变迁的观念。科学古地理学是在地质学和地理学的长期发展中形成的。17世纪，西方一些科学家根据岩层中的化石，推测古地理环境不同于今日，并试图对环境演变的原因作出解释。18世纪后期，英国的J．赫顿（James Hutton，1726～1797）在《地球的理论》中提出了均变论的思想；其后，英国的C.莱伊尔（Charles Lyell，1797～1875）在1838年出版的经典著作《地质学原理》中发展了这一思想，并提出了均变论学说，成为后来研究古地理环境的指导原则。

1837年，瑞士的L.阿伽西（Louis Agassiz，1804～1873）提出大冰期理论，首次把冰川的进退与全球性的气候变化及生物变化有机地联系了起来，并说明了地球上气候可能变化的程度。20世纪以后，德国A.彭克（Albrecht Penck，1858～1945）与E.勃鲁克纳（Eduard Bruckner，1862～1927）基于对阿尔卑斯山冰川沉积的研究，1909年建立了四次冰期模式，证明全球性的气候变化曾发生过多次。南斯拉夫数学家M.米兰科维奇（Milutin Milankovic，1879～1958）于1920年提出的冰期-间冰期变化天文成因假说、奥地利科学家A.L.魏格纳（Alfred Lothar Wegener，1880～1930）于1914年提出的大陆漂移学说等，均对古地理学的兴起和发展具有深远影响。

20世纪60～70年代，随着深海钻探、冰芯获取、放射性同位素、古地磁、稳定同位素等技术应用于过去环境演变研究之中，解决了绝对年代测定、连续沉积序列的获取以及环境定量标定等一系列问题，并获得了一系列革命性的重大发现。魏格纳提出的大陆漂移说复活并与海底扩张说一道发展成为板块运动理论；来自深海沉积、巴巴多斯珊瑚礁阶地、东欧黄土—古土壤序列等研究证实了米兰柯维奇对冰期-间冰期变化的天文成因解释，第四纪全球环境变化的研究得到快速的发展与长足的进步。

20世纪80年代以后，以人类生存环境为核心的全球变化研究已成为众多学科领域共同关心的问题，国际科学界组织实施了以增进人类对地球气候和环境演变规律认识为目的的国际全球变化研究计划，古地理研究是推动其兴起的重要因素之一。自然地理学方向的古地理与环境演变研究也被纳入其中的过去全球变化研究或过去全球变化科学（PAGES）国际研究计划之中，成为全球变化研究的重要领域。自然地理古地理学与地质学传统的古地理学之间的交叉和融合日趋显著。

中国自然地理学方向的古地理研究方向于20世纪60年代初由周廷儒先生提出，源自地理学的发生学思想。20世纪80年代以来，受国际地球系统科学和全球变化研究的带动，中国古地理学进一步拓展为以认识自然地理要素随时间变化特征和机制为目的的环境演变，其研究领域从现代自然地理环境的历史建构扩展为人地（人类-环境）系统历史演变。青藏高原隆起、季风气候的形成演变、黄土-古土壤沉积旋回、环境演变与人类的相互作用等均是我国古地理研究中独具特色的研究领域。

古地理学的基本理论是“将今论古”的现实主义原则，它假定自然法则不随时空的变化而变化，即现代所存在的自然地理过程，在过去时期都同样地存在、同样地进行，过去任何时间发生的环境过程都可以从现代找到相似型，因而可以利用现代的自然地理过程和自然地理原理，推论和复原过去的自然地理环境，即“现在是了解过去的钥匙”。“将今论古”原则的核心内容是，在均一性的假设前提下，由已知部分推断未知部分，古地理学研究就是建立在这样的假设前提基础之上的。但值得注意的是，“将今论古”原则所阐述的只是一种基本假设前提，而并不意味着自然界实际状况就是如此。事实上，在40多亿年的历史演化过程中，地球表面的自然地理过程是不可能不发生变化的，因此，上述假设并不是在任何情况下都能满足的，在使用过程中对其要有一定的限制，对于机械的和物理的过程，该原则适用的时间范围大一些；对于化学的，特别是生物的过程，适用的时间范围不能过于扩展。由于假设前提不一定永远正确，在讨论古地理环境演变问题前有必要首先考察前提是否能够成立，只有在假设成立的情况下，结论才有可能正确。

自然地理学方向古地理学研究的主要是新生代以来，特别是第四纪以来的百-千年至十万年尺度古地理环境的变化，强调其与现代自然地理环境的关系，属于自然地理学范畴，其在全新世与历史地理学存在交叉。古地理学最初产生于地质学，具有多来源的和多分支学科的特点，根据学科起源，可分为地质学方向的古地理和自然地理学方向的古地理。古地理学研究的基本任务是重建不同地质时期的古地理环境，揭示海陆变迁、气候变化、生物演替及自然区域和自然地带演化等历史过程与成因机制。地质学方向的古地理学主要研究古近纪和新近纪以前，特别是新生代以前百万年以上的时间尺度上的古地理环境变化，同时也关注第四纪以来的古地理环境变化，属地质学范畴。构造古地理、岩相（沉积）古地理和古生物古地理等为其主要分支，其在指导石油、天然气、煤炭、其他金属和非金属矿产的预测、勘探和开发方面起重要应用。 

古地理学研究主要有两个基本途径：①古地理环境重建。依据可获得的，并能够确定其形成的时间及环境意义的各种残存证据，推断这些证据形成时的环境状态，对古地理环境进行整体复原或部分地复原，并进一步推测其成因机制。②古地理环境模拟。从已知的环境过程出发建立数学模式，将关键的古环境参数输入已有模式，利用模式演绎可能的古地理环境状态及其产物。古地理重建和古地理环境模拟这两种途径是互相参校补充的，正确的重建结果最终有可能通过模式来表达，模型的可靠性亦需要通过重建的结果来评估。

古地理环境重建是古地理学研究的基础和核心，其本质是以有关过去环境的各种“记录”为依据对过去的环境进行复原，并对所重建的每一幕古环境都定出它在发展过程中的时间位置。重建环境演变就像组装一个没有样图并且部件已残缺不全的智力玩具，所能依靠的就是过去环境过程残留下来的沉积、孢粉、同位素、冰芯、树木年轮、考古和历史文献记载等代用资料。古地理环境重建结果的准确性直接受制于代用资料的可获得性、其形成时间的可确定性以及其环境意义的指示能力。因此，用于古地理环境重建的代用资料一般需要具备的几个基本条件：①具有可识别性，即它是一种物理的、化学的、生物的、文字的或图像的等可识别的信号。②具有可标定性，即它的环境意义可以根据现代地理过程进行标定。③具有可保存性，即在它生成后能一直保存到现在，并且其属性未受到后期的影响与改变。④具有一定的分辨率，它在一定的时间与空间尺度上能反映出环境变化。

一种代用资料在重建古环境方面的价值，不仅与此项资料对环境感应的灵敏度与记录的真切性有关，而且也与是否易于对之做出年代测定有关。古地理与环境演变研究在20世纪年代以来得到迅速发展，取得许多重大突破，一方面与所凭借的代用资料的种类不断扩大、资料内涵的发掘不断得到加深有关；另一方面也是多种有效的绝对年代学测定方法的出现的结果。年代测定的途径包括两个方面：①相对年龄的测定，即将根据不同依据所重建的一系列事件相互比较，定出先后，排列成顺序，并按照某个标准事件的出现时间，来估计前后各事件的大致时间范围，此类方法只是确定相对时间位置。②绝对年龄的测定，即对确定某一事件所凭借的依据测定年代，从而这一事件出现的年代也就得到了确定。利用放射性元素的衰变规律以测定绝对年龄，是地质学和古地理学中普遍应用的测年方法；古地磁年代测定法基于在地球的发展过程中磁极有过多次“逆转”的史实，利用放射性测年方法标定每一次磁场逆转的绝对年代并编制成地球的地磁年代表，通过将待测定年龄的沉积层的磁性逆转图像与地磁年代表对比，确定待测沉积层所属的年代。

自然地理学方向古地理研究是推动全球变化研究在20世纪80年代兴起的重要因素之一，而古地理研究本身也已融入过去全球变化研究之中，成为全球变化研究的重要领域。全球变化研究将地球系统理解为人类—环境耦合系统，关注人类活动如何使地球系统发生变化，以及这种变化反过来如何影响人类社会。未来，古地理学和环境演变研究将主要集中在三个方面：①从时间的视角阐释现代自然地理环境形成演变机制并进行历史建构。②在地球系统科学的框架下进一步认识自然地理要素随时间变化特征和机制。③从时间的角度阐释人与地理环境相互作用的人地关系历史演变。