科学家发现,地壳岩石中含有一些微量的放射性无素.这些元素按各自固定速度衰变,即以放射形式逐渐变成普通元素.于是,根据岩石中现在有铅和铀的比例,就可推算出这块岩石的年龄.科学家们用类似方法测量了地球上最古老的岩石,测得它的年龄约为38亿岁.考虑到从熔岩冷却到固结成岩还需一段时间,有人认为地球大约是在46亿年前开始形成的.
地质时间的早期估算
1658年,爱尔兰大主教厄谢尔（J.Ussher）认为地球诞生于公元前4004年,这个时间是以圣经里的纪年做为基础计算出来的,这是十八世纪晚期和十九世纪的地质学家所不能接受的.因为大多数地质学家,甚至包括维尔纳和布丰（Buffon）这样的水成论者也认为,地壳沉积岩的形成至少需要几万年.
（一）沉积速率：早在公元前五世纪,希罗多德（Herodotus）已对尼罗河三角洲进行了研究.他根据沉积物沉积的年速率推断,该三角洲必定有几千年的历史.后来,尤其在十九世纪末和二十世纪初,人们曾根据沉积岩最大厚度与沉积速率来计算地球的年龄.自从地球形成以来,估计已经沉积了厚33,000--100,000米的沉积岩,而沉积速率的估计变化相当大,每百万年从50--3000米.地球年龄估算结果是17至1584百万年.
（二）海洋里的盐：早期人们曾试图根据海洋内的全部盐量与每年增加的盐量的比较来确定地球的年龄.这个方案是假设在地球历史上海洋开始的初期为淡水水体.估计海洋里含盐的全部总量为16×1012吨,而每年增加160百万吨盐（主要来自岩石及土壤风化和河流溶解所携带的盐）.用这种推论方法,地球的年龄大约是100百万年.但是这个计算没有考虑世界许多地方在沉积岩系中出现的大量盐.
（三）冷却速率：十九世纪,英国物理学家开尔文（L.Kelvin）根据地球的冷却速率确定地球的年龄为70百万年.凯尔文假设地球开始是从太阳抛出的一个熔融体,而且地球最初的温度是平均火成岩的熔融点.这个计算的错误在于开尔文假设地球内部不存在热的来源.因那时还不知道放射性衰变能释放大量的热能.
相对年代
相对年代的测定是通过沉积岩层的层序、原始构造、不整合、穿插构造（cross -cutting- structures)和陨石坑来确定的.
（1）层序
新的岩层沉积在较老的岩层之上.因此,如果它们没有被褶皱或断层扰乱的话,岩层的相对年代可以由它们在层序中的位置确定.
（2）原生构造
原生构造是在岩石沉积时形成的,有些可以用来确定相对年代.它们包括交错层理、粒级层、波痕、化石和枕状熔岩等.交错层理可以由风或地下水流所形成,交错层理的角度可以从水平到40°.侵蚀作用可削平这些层的顶部,使之呈截顶状.但交错层理的底层一般平行于层的底面.这样,交错层截顶面与其上交错层切线的相对位置,可用来建立某一沉积岩系的相对年代.而且交错层的凹面一般面向新层（顶部）.在粒级层中,从一个单层的底到顶,其粒级出现由粗到细的变化.粒级层是由间歇性的海底底流形成,最常见的是由浊流而成.浊流是携带沉积物的高密度水体.水流沿斜坡急速奔流而下,当水流变缓时,粗粒物质首先沉积,小的颗粒依次沉积.因此,在一个层中的粒级向顶面逐渐变小.
（3）不整合
在很多沉积岩序列里 , 不是所有的原始沉积物都能保存下来.上升可以形成侵蚀面,然后又被新沉积物所覆盖,这种埋藏的侵蚀面称为不整合（unconformity）.可以用它来确定地层的相对年代.主要的不整合有非整合（nonconformity）、角度不整合（angular unconformity）、 平行不整合（disconformity）和小间断（diastems）.非整合是指沉积岩覆盖在较老的变质岩或深成火成岩之上.角度不整合将年轻的、变形较轻的沉积岩同倾斜或褶皱的沉积岩分开,不整合面上、下两层之间有一角度差异.平行不整合是基本上互相平行的岩层之间有起伏不平的埋藏侵蚀面.如果化石证明两岩层在时代上有明显差别,则可判定在该两层之间曾有间断发生.沉积作用的这种短期间隔,称为小间断或沉积间断.
（4）穿插结构
穿插火成侵入岩（如岩脉、岩株和岩基）总是比被它们所侵入的最新岩层还要年轻,而比不整合覆盖在它上面的最老岩层要老.如果两个侵入岩接触 , 火成侵入岩的相对时代由穿插关系也可确定,一般是年轻的侵入岩脉穿过较老的侵入岩.若岩层沿断层发生了位移 ,其移动的相对时间也可以确定.断层的最后位移必然是出现在因断层而错位的最新岩层沉积之后,又在不整合覆盖断层的最老岩层沉积之前.
同样,岩系褶皱的时代总是要比受褶皱的最年轻岩层晚,而比未褶皱的、盖在上面的最老岩层早.一个岩系变质的时代总是比变质的最年轻岩层要晚,而比覆盖在上面未遭受变质的最老岩层要早.
（5）生物层序律
生物的演变是从简单到复杂,从低级到高级,不断进化和发展的.因此,一般说来,地层年代越新其中含生物就越进步、越复杂.另一方面,不同时期的地层中含有不同类型的化石及其组合,而相同时期且在相同地理环境下所形成的地层,不论相距多远都含有相同化石或化石组合.
根据生物组合面貌可以反推地层的大概年龄,经过长年研究,古生物学家筛选出一系列化石或化石组合作为标准化石,用之确定地层时代,如笔石类常作为奥陶、志留纪的标准化石.
