对于气象学，从古代到16世纪只限于零碎的定性观察和描述，还谈不到独立的科学。17世纪，由于工业和自然科学的发展，特别是物理学的成就，使较精密的气象仪器相继发明，有关气象的理论也得到很大提高，使气象学逐步发展成为独立的科学。
意大利物理学家和天文学家伽利略（Galileo）于1593年发明了温度表，意大利物理学家和数学家托里拆利（Torricelli）于1643年发明了气压表。由于有了温度表和气压表等气象仪器，1653年在意大利北部建立了气象观测站，以后许多国家也相继建立气象台站。由于广泛的气象观测，获得了丰富的资料，气象学的研究逐步深入。此后，随着无线电通讯的发展，使气象观测结果能很快地传到各地，给予编制和研究天气图以可能性。1860～1865年间天气图迅速发展起来。19世纪末，在小范围内已开始了高空探测的高空气象学。
在地球科学中，地质学的创立具有划时代的意义。欧洲18世纪开始进入产业革命时期，随着生产力的提高和近代工业化的急速发展，使矿产的需求日益增加，因而促进了找矿和地质调查工作，使地质知识与资料迅速积累，逐步形成了系统的地质学理论和研究方法，于是地质学作为一门独立的科学诞生了。
在地质学的创立过程中，学术思想论战曾起了重要的促进作用。当时的论战是在“火成论”者与“水成论”者之间及“均变论”者与“灾变论”者之间进行的。
“水成论”者认为组成地壳的所有岩石都是从原始海洋物质中结晶、沉淀形成的，他们否认地壳运动的存在，主张地球从取得现有形态以来没有发生过大的变化。“水成论”者的代表人物是德国弗莱堡矿业学院矿物学教授魏尔纳（A.G.Werner，1750—1817年），他对矿物学的研究有卓越贡献，由于他丰富的知识和口才，使他驰名欧洲，对传播地质学起了重要作用。魏尔纳1775年在弗莱堡开始讲学，“水成论”兴起，由于他的声誉和拥有众多门生及崇拜者，加之教会的支持，使得“水成论”在18世纪后期的欧洲占居统治地位。
“火成论”者的代表是英国学者郝屯，他发现花岗岩脉穿插在沉积岩中呈侵入接触关系（有烘烤及冷凝边），认为除沉积岩外，还有岩浆岩和变质岩，并认为地壳处于不断的演变之中，这一过程是缓慢的，过去发生的变化和现代进行的演变过程是类似的。他较正确地论述了三大岩类的成因及地壳运动的影响。郝屯1785年发表最初的《地球理论》论文，提出“火成论”，1795年重新发表《地球理论》著作，系统论述自己的观点。该书为地质学的创立奠定了基础。
自此，“水成论”与“火成论”的论战愈演愈烈，随着人们了解到更多的地质现象，到19世纪初，“水成论”观点逐渐被抛弃，“火成论”取得了胜利。
“灾变论”者的代表是法国学者居维叶（D.G.Cuvier，1769—1832年），他在研究巴黎盆地地层中的生物化石时发现，在相隔很近的岩层中动植物化石群的种属有显著差异，曾经一度出现的古生物种属，后来竟完全绝灭而代之以新的种属；他还看到较老岩层发生褶皱，上面盖以水平的沉积岩层。于是他便认为地壳曾经发生巨大变革，产生世界规模的大灾变，致使地形改变、生物灭绝，以后在一定的时间内又重新创造出新的动植物来；地球上曾经历了多次这样的大灾变和再创造过程；最后一次大灾变发生在五六千年前，并造就了地球的现今面貌和生物特征。居维叶的“灾变论”强调地质发展过程中的突变阶段，虽有合理成分，但他否认地球的渐近发展过程，并把其演变历史归结为古今没有联系的一系列不可知的突然事件。居维叶的重复创造与不可知的观点，特别是最后一次灾变的时间与圣经中论述的“大洪水期”和“诺亚方舟”神话一致，因而受到了教会的欢迎，得到广泛传播。
与“灾变论”针锋相对的是生物进化论和地质学的“均变论”。法国学者拉马克（Lamark，1744—1829年）在研究巴黎盆地第三纪古生物化石时，发现生物的种与种之间有过渡关系，某些种属是由另一种属发展而来的，并有由低级种属向高级种属演变的规律。他认为生物进化过程是极其漫长的，它与地球的演变历史同时进行。英国地质学家莱伊尔继承了郝屯的思想，经过与“灾变论”的多次论战，在结合前人成果及大量实际资料的基础上，于1830年出版的《地质学原理》第一册中明确提出了地质学的现实主义原则（即“将今论古”），指出地球的发展历史是漫长的，解释地球的历史用不着求助于上帝和灾变，那些看来非常微弱的地质动力，经过长期缓慢的作用过程，就能使地球面貌发生巨大变化。这就是“均变论”的主要思想。
随着《地质学原理》一书的问世，“均变论”的思想逐渐取代了“灾变论”，现实主义原则也成为了地质学方法论的一条基本原则。但是“均变论”强调“古今一致”与渐近发展的同时，本身又存在忽视在地壳发展过程中有飞速发展阶段（突变）的片面性。
莱伊尔的《地质学原理》（共三册）是一部划时代的著作，它确定了地质科学的概念，总结了地质科学的研究方法，初步完成了地质科学的体系，是地质科学创立的标志。自此以后，地质科学进入初步发展时期，到19世纪末已获得了很大进展。在研究地壳的物质组成方面，用显微镜研究岩石和矿物的方法得到充分发展，地球化学的工作也逐渐开展起来。在研究地壳的演化历史方面，逐渐建立起了比较完善的相对地质年代表。北美学者霍尔、丹纳根据对美国东部造山带的研究，提出了“地槽”学说，对地质学研究产生了深远的影响。在地质学的应用方面，矿床学进一步发展，并诞生出了石油地质学。地震地质学、工程地质学等也开始逐渐发展起来。
17世纪德国地理学家瓦陵尼阿士（1622—1650年）的《普通地理学》开始介绍哥白尼、伽利略的太阳中心说，提出专论地理学和通论地理学的区别。前者描述特定地区，后者阐述一般原理。18世纪末至19世纪初德国洪堡德（1769—1859年）与李特尔（1779—1859年）奠定了近代地理学的基础。
洪堡德的代表作是《宇宙：世界的自然描述概略》，共五卷。他最早采用计算气象要素平均值的方法研究气候，提出等温线概念，1817年绘制第一幅世界年平均温度分布图，提出大陆东西两端的气候差异和海洋性气候、大陆性气候类型。他观测了地势升高100 m气温下降0.6℃的垂直递减现象，研究气候与植物分布、类型的关系，提出平原植物分布的水平地带性和山地植物分布的垂直地带性。他最早运用地形剖面图和地理比较法研究地理现象的规律性，奠定了自然地理学特别是气候学与植物地理学的一般原理。
李特尔通过区域描述和地面现象综合比较，研究地理环境对人类活动的影响。他强调地理学要以人地关系为主旨，提出比较地理学概念。1817年李特尔的《地理学》第一卷出版，到1859年共出版19卷。
此后，地理学得到了进一步发展。德国地理学界比较著名的学者和学派有拉采尔的地理环境论、赫特纳的地理学方法论等。法国比较重要的地理学派有维达尔-白兰士和白吕纳的人地相关论等。美国著名的地理学说有戴维斯（W.M.Davis，1899）的地貌侵蚀循环说，该学说主张陆地自然面貌是由侵蚀造成，认为地表形态是连续的，又有阶段的，是地球内部结构与外部营力的结合。他把河流发育分成青年期、壮年期和老年期，地壳上升使河流复活。他的学说奠定了自然地理分析的基础。