由于研究对象和手段不同，地球化学也形成了一些分支学科，主要分为元素地球化学、有机地球化学、无机化学、天体化学、环境地球化学、矿床地球化学、区域地球化学以及勘查地球化学。
元素地球化学在矿产资源的研究中起着非常重要的作用，它是从岩石等天然样品中化学元素含量与组合出发，对各个元素在地球各部分以及宇宙天体中的分布、迁移与演化进行研究的一门分支学科。
有机地球化学主要研究对象是自然界产出的有机质，对它们的组成、结构、性质、空间分布、在地球历史中的演化规律以及参与地质作用对元素分散富集的影响进行研究。在有机地球化学中，对生命起源的研究是其中最主要的研究内容之一。
天体化学也是地球化学的一个重要分支，它研究的内容包括元素和核素的起源、元素的宇宙丰度、宇宙物质的元素组成和同位亲组成及变化，以及天体形成的物理化学条件和他们在空间、时间的分布、变化规律。
环境地球化学反应是一些疾病的地区性分布特征及其与环境要素之间的关系。具体的研究内容包括人类生存环境的化学组成、化学作用、化学演化及其与人类的相互关系，以及人类活动对环境状态的影响及应该采取怎样的相应对策。
矿床地球化学研究的内容包括矿床的化学组成、化学作用和化学演化，在这门学科中它着重探讨的是成矿的时间、物理化学条件、矿质来源和机理等问题。
区域地球化学研究的是某一地区的某些地质体和圈层的化学组成、化学作用和化学演化，以及元素、同位素的循环、再分配、富集和分散的规律。区域地球化学揭示了元素在空间分布的不均匀性，可以作为划分元素地球化学区和成矿远景区的依据。
勘查地球化学是通过对成矿元素和相关元素在不同地质体及区带的含量和分布研究，找出异常地段，以便缩小和确定矿区及勘探对象。勘查地球化学除了直接服务于矿产资源外，在国家进行环境评价及国土规划中也有很重要的作用。
总之，这七门分支学科相互联系、相互区别，它们促进了地球化学研究的更加精细和横加系统。而且地球化学上所取得的一些重大成果很多都是各分支学科综合研究的结果。