20 世纪 50 年代以后，放射性碳同位素测试的发展，钾-氩法及铀系测年法的应用，古地磁研究的进展，及全球深海沉积及氧同位素的分析等，使得第四纪古气候的研究取得了飞跃进展。
关于第四纪冰期，海平面变化的旋回和大气变化及其相互关系和反馈机制的研究逐渐明朗化。第四纪冰期的天文理论———米兰科维奇旋回理论，经过 60 余年多次反复验证，逐步得到公认。1947 年库伦堡所发明的活塞岩心取样方法在海洋调查上成功地得到应用。同年，尤里创立了氧同位素方法的理论基础。这两方面的科学进展，对第四纪地质学的发展有着重大的影响。尤里成功地从海底碳酸钙堆积物中揭示 n(18O)/ n(16O)与古气温的关系。与此同时，瑞典海洋调查船阿尔巴特罗斯号(Albatross)取得大量的长 10m 以上的深海岩心。伊米利亚尼(Cesare Emiliani)从中获得 8 个深海岩心，其分析结果曾以 《更新世气温》的名称于 1955 年发表。此文的发表被称为第四纪研究的里程碑。伊米利亚尼根据加勒比海底和赤道大西洋海底岩心的氧同位素分析，揭示出近 300ka 中曾发生过 7 次冰期旋回; 而且从氧的同位素所表示的气温曲线与米兰科维奇的辐射曲线相吻合，海底沉积物首次支持了冰期的天文理论。
由于海底沉积物同位素变化的研究成果，使彭克等权威性 4 次冰期理论从根本上发生了动摇。到 20 世纪 70 年代，从海底沉积物氧同位素变化曲线、古气温曲线、冰量曲线以及中国大陆上黄土剖面的综合研究，证实更新世每一次冰期循环为时约为100ka，第四纪约发生过20 次左右寒冷气候旋回。
1957 年，深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program，DSDP)取得了很大的成功。深海钻探布局从大西洋开始，经太平洋扩大到印度洋及南极海区。1968 年，作为 DSDP 工具的钻探船“格洛玛·挑战者号”下水，它获得的钻孔岩心，为研究洋底扩张的速度、大陆边缘的垂直运动、新生代大洋沉积物提供了大量证据。1975 年，深海钻探计划扩大到国际性阶段。这个阶段的计划集中于 3 个课题: 大洋壳的演化，洋陆边缘的构造和起源，大洋的古环境。
在深海钻探研究取得巨大进展的同时，在陆地上进行了冰心的古气候研究。从 20 世纪 50年代末开始，美国、法国、前苏联等国家的一些科学家在北极、南极和一些高山地区进行冰心的古气候研究，获得了很好的古环境记录，并发现了一些重要的气候事件，如 D-O 循环，大大地推动了第四纪地质学的发展。我国的冰心研究始于 20 世纪 80 年代。另外，在古气候记录研究方面也得到扩展，如石笋、树木年轮、玛尔湖沉积等研究很好地高精度地揭示了气候变化。
第四纪气候变化的研究，可分两方面进行: 第一，从气候指标来进行研究，恢复古气候往往必须根据气候指标，如孢粉分析、树木年轮、海底深钻岩心、大陆沉积剖面以及冰流岩心等; 第二，系统研究，即研究大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间的相互影响和反馈关系，这也是近一二十年形成的全球变化研究的核心。尽管米兰科维奇理论在解释第四纪万年尺度上的气候变化方面已经具有说服力，但对于数十年、数百年、千年时间尺度上气候变化的规律性还需深入研究。因此还需从岩石圈-水圈-大气圈系统之间的多种可能反馈机制研究中寻求答案。
地貌研究也从定性描述转入数理分析和定量研究，与数学、力学、物理学和化学等结合越来越多，研究内容更为扩大和深入。借助于相邻学科如河流动力学、海洋动力学、冰川动力学、风沙动力学等理论，研究地貌形成的动力过程和演变过程，在河流地貌、风成地貌、冰川地貌等方面取得了重要进展。板块构造理论的兴起，推动了全球地貌格局形成的研究。物理探测和遥感技术为地貌研究提供了纵深的宏观资料。在这一阶段构造地貌学、动力地貌学、气候地貌学、应用地貌学等分支学科相继形成。