试图计算地球年龄的努力最初起源于神学。所谓的神创论者照字面意义解释《圣经》，因而坚称神创造世界仅用了七个整天，要算是相对近代的事。圣奥古斯丁在其对于《圣经·创世记》的评注中指出，上帝的视野远在时间之外，因而《圣经》中所提到的创世期间的每一天都可能比24小时长得多。就连在17世纪被人们广泛引用、由爱尔兰的厄谢尔大主教做出的估计——地球是公元前4004年创造出来的——也只是为了估算地球的最小年龄，而且是基于对史料的仔细研究，尤其是好几代大主教和《圣经》中提到的诸位先知所记载的史料。
首次基于地质学估计地球年龄的认真尝试是1860年由约翰·菲利普斯所为。他估计了当前的沉积速率和所有已知地层的累积厚度，估算出地球的年龄将近9600万年。威廉·汤普森——后来的开尔文勋爵——继承了这一观点，基于地球从起初的熔融态炙热球体冷却所需的时间，做出了估计。值得一提的是，他起初估算出的地球年龄也是非常接近的数字，即9800万年，不过后来他进一步推敲，将其缩短至4000万年。但均变论者和查尔斯·达尔文认为他们估算的年代还是太近，基于达尔文提出的自然选择演化论，物种的起源需要更长的时间。
20世纪初，人们认识到额外的热量或许来自地球内部的放射现象。因此，基于开尔文的构想，地史学得以拓展。然而，最终促使我们如今对地球年龄进行日益精确估计的，还是对放射现象的理解。很多元素都以不同的形态或同位素的形式存在，其中一些具有放射性。每一种放射性同位素都有其独特的半衰期，在此期间，该种元素任意给定样品的同位素均可衰变一半。就这种同位素本身而言，这没有什么用处，除非我们知道衰变开始时的准确原子数量。但通过测量不同的同位素的衰变速率及其产物，就有可能得到异常精确的年代。20世纪早期，欧内斯特·卢瑟福15宣布，某种名为沥青铀矿的放射性矿物，其一份特定样品的地质年龄有7亿年之久，比当时很多人认为的地球年龄要长得多。此言一发即引起了巨大轰动。后来，剑桥大学物理学家R.J.斯特拉特16通过累计钍元素衰变所产生的氦气证明，一份来自锡兰（今斯里兰卡）的矿物样品的地质年龄已逾24亿年。
在放射性测定地质年代方面，铀是一种很有用的元素。铀在自然界有两种同位素——它们是同一元素的不同形式，差别仅在于中子的数量，因而原子量也有差别。铀238经由不同的中间产物最终衰变成铅206，其半衰期为45.1亿年，而铀235衰变成铅207，其寿命不过7.13亿年。对从岩石中提取的这四种同位素进行比率分析，加之以衰变过程中产生的氦气累计，就可以给出相当准确的年代。1913年，阿瑟·霍姆斯17使用这一方法，首次准确估计了过去6亿年间各个地质时期的持续年代。
放射性测定地质年代技术的成功在相当程度上得益于质谱仪的效力，这种仪器实际上可以将单个原子按重量排序，因而使用非常少量的样品即可给出痕量组分的同位素比率。但其准确性取决于有关半衰期的假设、同位素的初始丰富度，以及衰变产物随后可能发生的逸出。铀同位素的半衰期令其很适合用于测定地球上最古老的岩石。碳14的半衰期仅为5730年。在大气层中，碳14由于宇宙射线的作用而不断得到补给。一旦碳元素被植物吸收，植物死亡后，同位素不会再得到补给，从那一刻起，碳14的衰变就开始了。因此，用它来测量诸如考古遗址的树木年龄等再合适不过了。然而事实上，大气层中的碳14含量是随着宇宙射线的活动而变化的。正因为已知树木的年轮就可以独立计算出年代，我们才知道可以用碳14作为测定工具，并对长达2000年的碳定年予以校正。
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