地球内热状态与地球的起源紧密相关。Laplace-Herschel星云假说认为，大约46亿年前伴随原始太阳热气团冷却、旋转的很多环状体，开始收缩形成行星。其中一个未曾分异的均质低温“混合体”聚集了尘埃、气体、陨石等硅化物、铁镁氧化物，收缩形成原始地球。原始地球收缩过程中，在重力作用下，物质向地心集中，同时释放的重力位能转换为热能，使地球加热。此外，在地球长期演化过程中，重力作用也促使地核与地幔物质分异，形成同心球层状地幔与地核，释放重力位能，加热地球。

地球形成过程的最初阶段以及其后的漫长演化过程中，引力收缩导致的重力位能在地球内部产生的热能可通过公式分别计算。如果原始地球形成之初快速收缩到现在大小的均匀球体，则计算可得其重力位总收缩能约为3.72×10³²焦耳。这些能量并未全部保存于地球内部，而是在收缩的过程中，向外空间散失，平均位能收缩转换热能估计约为4×10²⁰焦耳/年。除了原始地球的初始收缩位能转换热之外，形成地核的重力位也转换为热能，地核重力位总收缩能约为0.91×10³²焦耳，按比例扣除散失的热量外，地核平均位能转换热能估计约为1×10²⁰焦耳/年。综合分析，估计地球形成和核、幔分异过程中，物质在重力作用下，原始地球物质向地心集中时由位能转换成的热能约为5×10²⁰焦耳/年。

在地球壳幔岩石圈物质组成中，存在多种放射性元素，这些放射性元素衰变时会产生热量。所有放射性元素中，只有²³⁸铀、²³⁵铀、²³²铀、⁴⁰钾等放射性元素才构成地球内热的主要热源。因为它们满足三个基本条件：①放射性元素在地球岩石中具有足够的丰度；②放射性元素在衰变时能产生足够的热量；③放射性元素的半衰期要与地球年龄相当。

放射性元素衰变时产生的热量，可以通过其产热率来计算。产热率定义为单位质量（单位体积）的放射性物质在单位时间内产生的热量，其计量单位为瓦/千克或瓦/立方米。每种放射性元素的产热率可以通过实验测定。一般认为地核不可能含有高比例的生热元素。放射性元素铀、钍、钾在地球分异演化中，集中于地壳及上地幔顶部。在大陆地壳上部的酸性岩浆岩（例如花岗岩）中，例如花岗岩中，最为富集。酸性岩浆岩的生热量约占地球放射性元素总生热量的70%。

地球内部放射性热源研究包含两个关键问题：①含量问题；②产热率分布问题。科学家们根据陨石资料建立了几种地球放射性模型，依据模型给出放射性元素在地球46亿年前刚形成时的初始含量和产热率、含量和产热率。例如，按球粒石质陨石模型计算，可以计算出理论上放射性元素产生的现今地表热量为9.63×10²⁰焦耳/年。科学家们也给出了上地壳的放射性热源分布模型，基本分为三类：均匀模型、线性模型和指数模型。但是，由于放射性热源随深度分布的真实情况尚不能直接测定，上述模型都带有很大的猜测性。岩石学和地球化学的研究表明，指数模型最接近大陆地壳分异过程中放射性元素迁移富集规律。因此，指数模型被广泛采用，甚至被推广至下地壳，成为计算地幔热流、地壳和岩石圈内温度分布的重要模型。由于地球内部放射性元素的赋存情况难以估计。所以，地球内部放射性元素总生热量的准确计算是一个极其困难的科学问题，只能大致估计为9.5×10²⁰焦耳/年。