地球化学演化包括地球的形成与早期分异、地壳的演化、大气圈与水圈的演化和生物圈的演化。

地球的形成主要有两种观点：①由炽热的气态星云凝聚形成；②由冷的宇宙尘星云中的固态质点星子吸积作用形成。根据地球具有轻气体（氦气、氢气等）严重亏损，重的稀有气体（氪、氙等）相对于太阳和碳质球粒陨石含量亦偏低这一事实，地球可能是由冷物质通过吸积作用形成。地核可能是由于早期地球中发生铁的熔融，在重力作用下沉降至地心形成的。地幔中，亲铁元素的高含量说明亲铁元素的大部分是在地核形成后吸积到地球上的。此外，在地球形成早期，地壳、大气圈、水圈和生命物质先后出现，所以地球形成早期圈层结构后，或者在某一圈层形成发展过程中，层圈间的相互作用或者层圈内的循环演化已经开始了。

地壳的形成和演化直接影响着壳幔间的相互作用及物质循环。地幔部分熔融形成新生地壳，地壳可通过俯冲、拆沉等过程返回地幔，甚至回返到地幔的物质经过再循环进入地壳，这一循环过程基本上控制着壳、幔的发展演化。地壳内部的物质演化主要包括通过地壳岩石变质脱水熔融形成的岩浆向上地壳运移和上地壳物质通过深埋、深构造运动向地壳深部靠近两个过程。地壳的物质演化过程对于大气圈、水圈和生物圈是开放的，因此层圈间的相互作用和物质交换亦会影响地壳的化学演化。

地球内部除气作用释放的主要气体为水蒸气、一氧化碳（CO）、氯化氢、硫、一氧化硫、氢气、氮气、氨气和稀有气体等。地球初始大气圈属于强还原性大气圈（具有火山气体成分），通过水蒸气的凝结，原始海洋水成为强酸性水体。随着海洋水体增大，大气圈中CO的增加，太古宙时的大气圈为CO-火山气体大气圈；随着水圈中碳酸盐的沉积消耗大气圈中的CO，元古宙时为CO大气圈；随着显生宙动物的繁殖、碳酸盐沉积增加和植物的出现，逐步演化为现今的氮-氧大气圈。地球表面最初的大洋是由原始大气圈中的气态水在地表温度降低后冷凝形成，因此水圈与大气圈的成因紧密关联。都是地球内部物质长期分异释放至地表的挥发物，并在地球引力作用下积聚形成。大气圈与水圈的演化史密不可分的，并在演化过程中常伴生不同圈层（岩石圈、大气圈、水圈）间以及单一圈层内（水圈中封闭湖泊、河流和大洋）的相互作用。

生物圈是地球上有生命存在及生命活动参与的特殊圈层，自地球上生命诞生就已存在。生物圈的演化包括生物进化、生物与环境相互作用的进化以及由此引起的生物圈的进化。从最早由原始异氧生物和原始海洋、大气构成的单极生态系统；到20亿年前绿藻出现，大气氧开始出现的二级生态系统；至6亿年前多细胞动物出现，形成生产者（植物）-消费者（动物）-转化者（微生物）的三级生态系统，形成了现代生态系统内演化格局。

地球化学演化是追溯地球发展历史、揭示地表古环境特征及演化趋势的重要渠道之一，它与地球的形成和发展历史密切相关。地球化学演化的研究对于探索地球甚至太阳系的形成与演化具有重要的意义，也是探索人类生存的现代环境及预测地球环境未来发展趋势的重要基础。