Показательным для комплексного подхода к географическим проблемам было учение В. В. Докучаева о «зонах природы» (1899 г.). Докучаев выступил как один из основоположников новой дисциплины — почвоведения, которое исследует почвообразовательные процессы и изменения, происходящие в почве под совокупным воздействием физических, химических, биологических факторов и деятельности человека. Это отличает почвоведение и от геологии, и от чисто прикладной агрономической науки о почве.
Под влиянием эволюционного учения формировались новые теории и гипотезы, рассматривавшие геологические явления в их взаимной связи.
В 70-х годах, с появлением работы австрийского геолога Э. Зюсса «Лик земли», стала широко распространяться так называемая контракционная гипотеза (гипотеза сжатия Земли). Для своего времени она имела положительное значение, но слишком упрощала схему истории развития Земли и поэтому оказалась недостаточной для объяснения многих особенностей этого развития. В начале XX в. ее сменили другие, более совершенные гипотезы.
Работами ряда ученых, в том числе русского геолога Н. А. Головкинского, немецкого ученого И. Вальтера и других, было создано и развито учение о фациях (об особенностях геологических отложений в зависимости от условий накопления осадков). В 80—90-х годах А. П. Павлов в России и М. Неймайер в Австрии заложили основу сравнительной стратиграфии и палеогеографии. С середины XIX в., после введения микроскопического метода анализа горных пород при помощи поляризационного микроскопа, были проведены разнообразные исследования, устанавливавшие взаимоотношения минералов в процессе образования изверженных пород. Эти работы (особенно важными среди них были труды русских исследователей Е. С. Федорова и Ф. Ю. Левинсона-Лессинга) имели существенное значение для развития петрографии. Столь же существенный вклад в науку внесли выполненные в рассматриваемый период крупные работы по геологии отдельных областей земного шара (так называемой региональной геологии), позволившие составить геологическую карту мира. Главной чертой большинства исследований, проведенных в рассматриваемый период, был генетический, эволюционный принцип. Он нашел применение в изучении конфигурации и распределении суши и моря, происхождения материков, форм и развития земного рельефа и т. д. Из принципа эволюции исходила и молодая наука, возникшая в начале XX в., — геохимия. Первые труды в этой области принадлежали норвежцу В. М. Гольдшмидту (1911 г.) и В. И. Вернадскому, исследовавшему эволюцию минералов земной коры (1908 г. и позднее).
В области наук о Земле быстро сказались новейшие открытия физики: английский геолог и геофизик Дж. Джоли первый обратил внимание на значение радиоактивных элементов для теплового режима Земли (1909 г.).
Так как оставалось сравнительно небольшое количество совсем не исследованных земель, внимание географов, геофизиков, геологов и других специалистов направлялось не столько «вширь», на новые области, сколько «вглубь», имея целью более полное исследование конкретных материалов по уже известным географическим районам. В гораздо более широких масштабах стали производиться специализированные экспедиции, в частности океанографические. За большой кругосветной экспедицией, совершенной англичанами на судне «Челленжер» в 1872—1876 гг., последовал ряд других экспедиций. В области физической географии моря много было сделано С. О. Макаровым во время его плаваний на корвете «Витязь» в Тихом океане в 1886—1889 гг.
Из многочисленных арктических экспедиций особенную важность имели плавание А. Норденшельда на «Веге» вдоль северных берегов Европы и Азии, организованное шведами при деятельном участии русских в 1878—1879 гг., и экспедиция Ф. Нансена на судне «Фрам», дрейфовавшем во льдах в 1893—1896 гг. Нансен приблизился к Северному полюсу на расстояние 450 км. Полет шведа С. А. Андре к Северному полюсу на управляемом воздушном шаре, предпринятый в 1897 г., не привел к успеху, но американцу Р. Э. Пири после ряда попыток, начатых в 1898 г., удалось в 1909 г. достигнуть Северного полюса. В 1912—1914 гг. русский исследователь Г. Я. Седов на корабле «Св. Фока» совершил экспедицию в северные широты. «Св. Фока» попал в тяжелый ледяной дрейф. Сам Седов погиб при попытке достигнуть Северного полюса на санях. Для исследования различных районов Антарктиды была проведена в 1901—1904 гг. совместная экспедиция англичан, шотландцев, шведов и немцев. Участник ее, англичанин Р. Скотт, в 1910 г. организовал вторую антарктическую экспедицию. В начале 1912 г. он добрался до Южного полюса, но погиб на обратном пути. Месяцем раньше Скотта, 14 декабря 1911 г., Южного полюса достиг норвежский полярный исследователь Р. Амундсен.