الجيوكيمياء هو العلم الذي يطبِّق علم الكيمياء على دراسة الأرض. يدرس علماء الجيوكيمياء توزيع كميات المواد الكيميائية، وتراكيبها ونظائرها على الأرض، بما في ذلك القشرة الأرضية والمياه، والغلاف الجوي. ويبحثون في العمليات الطبيعية التي ينتج عنها هذا التوزيع.
لمبادئ علم الجيوكيمياء استخدامات عمليّة عديدة. فمثلاً تساعد الجيوكيمياء الاستكشافية ـ وتُسمى الجيوكيمياء التنقيبية أو الاستكشاف الأرضي الكيميائي ـ في تحديد مخزون الخامات، والغاز الطبيعي، والنفط. وهي على سبيل المثال تتعلق بأخذ عينات وتحليل كميات صغيرة جدًا من المعادن والغازات الموجودة في الصخور السطحية، والتربة والنباتات، والمياه الجوفية. فوجود كمية من المواد غير الطبيعية قد ترشد إلى وجود مخزون كبير من المعادن تحت الأرض.
من فروع الجيوكيمياء ما يسمى جيولوجيا النظائر، وهو الفرع الذي يدرس وجود نظائر لمواد عديدة. فقياس نظائر الرصاص والسترونتيوم تُبيِّن عمر الصخور، وتمكن العلماء من تقدير عمر الأرض. وقد ساهمت قياسات شبيهة للنظائر في صخور القمر، في معرفة بداية المجموعة الشمسية.
ويعتقد علماء الجيوكيمياء أن الأرض بدأت جزءًا من سحابة كبيرة من الغبار والغازات المتكتلة في كتلة صلبة أخذت تكبر بجذب جسيمات مجاورة من المادة. وقد حدثت عمليات عديدة داخل الكتلة لتنتج حرارة أدت بدورها إلى صهر المواد المكونة للأرض. وغاصت أثقل المواد المصهورة إلى مركز الأرض، وتسببت في طفو المواد الخفيفة على السطح. ثم استقرت هذه المواد وشكلت طبقات. وتركزت عناصر الأرض ومركباتها بشكل رئيسي في الطبقات.

يصنف علماء الجيوكيمياء العناصر إلى خمس مجموعات بناء على علاقتها الفيزيائية والكيميائية. تشتمل العناصر أليفة الحديد أو السايدروفيل (أشباه الحديد)، التي توجد بشكل أساسي في قلب الأرض، على الكوبالت والحديد والنيكل، وتوجد العناصر أليفة الكبريت أو البايوفيل (أشباه النحاس) خارج قلب الأرض، وتشتمل على كبريتيدات النحاس والرصاص والفضة والزنك بكميات كبيرة. انظر: الكبريتيد. وتشكل العناصر أليفة الصخور (أشباه الصخور) كالألومنيوم، والكالسيوم، والمنجنيز ، والسليكون، معظم معادن الصخور في قشرة الأرض. وتشكل العناصر أليفة الجو التي تشتمل على الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، غازات الغلاف الجوي. وتوجد بمفردها أو في مركبات بسيطة، مثل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. وتحتوي العناصر أليفة العضويات على الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت، وهي تُشكل المركبات المعقّدةَ في الكائنات الحية.