地层学的研究范围涉及岩层中所有识别的特征和属性，包括形状、分布、岩性特征、化石内容、地质年龄、地球物理和地球化学性质等。构成地壳的各类层状或似层状的岩石，包括沉积岩（固结的或未固结的沉积物）、火山岩和变质岩，都属于地层学的研究范畴。地层学研究对人类认识和理解地球上岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的组成和演化具有重要的科学意义；同时对国家的经济建设和社会发展，如国土资源调查、能源和矿产资源的勘探与开发、生态环境的保护及基础设施建设等，均具重要的实践意义。

为了建立地层之间的时间关系，从17世纪就开始形成了一些地层的基本概念。地层层序律表明地层沉积的原始位置近于水平，老者在下，新者在上。化石顺序律认为不同的地层含有不同的化石，可利用不同化石特征鉴别地层。19世纪，地层学的主要工作是利用化石逐步建立统一的地层系统，即年代地层学。19世纪末，人们发现同时期形成的地层具有不同的岩性特征和化石内容，这种横向变化导出了岩相横向变化，即相变概念的出现。德国学者J.瓦尔特把岩相横向变化同海侵作用联系起来，解释了时间界面同岩相界面的关系，称为瓦尔特定律。岩相的研究说明岩性界线在多数情况下并非时间界线，所以除年代地层学以外，还须建立岩性或岩石地层学。20世纪30年代以来，通过对地层和生物群的对比研究，建立了生物地层学，年代地层学、岩石地层学和生物地层学是地层学中的主要分支学科。50年代以后，由于地层学研究范围的扩大和研究手段的发展，出现了不少新的地层分支学科，如磁性地层学、地震地层学、事件地层学、层序地层学、生态地层学、化学地层学等。

地层学主要研究地层的层序关系、接触关系和空间变化的关系。地层之间的接触关系可以是连续的也可以是不连续的，短期的沉积中断形成地层间的间断关系；长期的沉积间断，并经过基盘抬升、构造变动和陆上剥蚀，与上覆地层间可形成多种类型的不整合关系。关于地层之间的空间变化关系，也有一系列的分析方法和概念，多数地层属于沉积成因。根据现代沉积物特征与其生成环境的关系，判断地层形成时的沉积环境，称为沉积相分析或岩相分析。根据现代大陆内部、大陆边缘和海盆不同构造条件下形成的沉积特征，判断地层沉积时的构造环境，称为沉积组合分析或建造分析。在较长时间内形成的一系列地层，反映了所处沉积环境以及构造环境的不断变化，可称为沉积组合序列。沉积组合序列的总体特征即是地层沉积类型，它反映了构造环境的空间分异。一般可按构造活动性区别为稳定类型、过渡类型和活动类型。为了概括地反映各区地层沉积类型的总体特征及其在时间上的发展交替，就有必要进行地层区划，又称其为地层分区。为了使地层知识、概念、研究方法系统化和规范化，使地层学研究人员在工作中有所遵循，便于学术交流，还须研究地层分类和名词术语等，这些内容都是地层学研究的内容。

主要包括年代地层学、岩石地层学和生物地层学。①年代地层学。以地层的相对时间关系及年龄为主要研究内容，以等时面为准划分对比地层，与地质年代表取得一致是建立年代地层系统的基本要求。②岩石地层学。以地层的岩性特征及地层关系为主要研究内容，以岩性特征及地层关系为准划分地层，是建立区域地层层序的主要方法。③生物地层学。以地层所含生物化石为主要研究内容，以生物群的交替变化为准划分地层。由于生物演化具有全球的同时性和一致性，所以生物地层研究是确立地质时代表的重要手段。

还有一些研究内容与地层学有交叉的学科，其理论比较完整、研究方法比较成熟、在实践中取得重大成果，被列为地层学的分支学科。①磁性地层学。研究岩石的磁性，以地层中岩石的磁性作为岩层划分和对比的依据，更重要的是利用天然剩磁确定地层形成时古磁极的位置和正反方向等，作为全球性地层对比和古大陆位置再造的依据。②地震地层学。使用地震波反射提供的界面划分对比地层，用于地下和海底地层界面的确定。③层序地层学。研究以侵蚀面、无沉积作用面，以及可与之对比的整合面为界，确定重复出现并在成因上有联系的地层在年代地层格架内的岩石关系，利用由侵蚀面分开的、由沉积体系构成的地层层序划分和对比地层。侵蚀面接近于等时面，层序接近于旋回层。层序地层学是地震地层学的深化和发展。④化学地层学。依据化学元素和稳定同位素在地层中的赋存、迁移、富集及其时间演化和空间分布特征，进行区域地层划分与对比；也可利用不同时代化学元素含量的变化，推断地球化学环境演变的规律。⑤同位素地层学。利用放射性同位素测定岩石生成年龄，为年代地层系统提供年龄标定数据，称为地质测时学或地质纪年学。⑥生态地层学。主要是对古生物生态环境的研究，把地层形成与地层中生物生存时的环境密切结合起来，以古生物群落生态研究为基础，从群落及生态系的角度研究分析地层，解释环境，以提高地层划分的分辨率和对比精度。⑦定量地层学。利用数学方法和计算机技术对地层的各种数据进行处理（使用较多的是用化石群的统计分析），以优化地层的划分和对比，提高地层学的研究精度。⑧事件地层学。与地质事件概念和灾变概念的提出密切相关。事件地层学将地球演化过程中突然发生的灾变事件形成的影响，用于地层界线的划分和地层的对比，取得了重要的成果。所谓突发的灾变事件主要指全球性事件，例如全球性地磁场的变化，全球性海平面的变化，水圈、气圈物化条件的阶段变化，以及由此引起的沉积作用和生物界的明显改变。此外，还有地外事件，如陨星撞击等形成的灾变。事件地层学的重要性在于其全球同时性的特征，以多学科综合研究为手段，用于地层界线和地层对比的研究，提高了准确性，也促进了地层学研究的全面发展。