对第四纪地质和地貌进行科学研究始于 18 世纪的欧洲，但中国很早就产生了对水文、气候和地貌的启蒙研究。3000 年前我国人民就已对黄河流域的降水性质、农作物品种、被狩猎动物有所记载。在西周的 《诗经·大雅·笃公流》中，已有 “岗”(丘陵)、 “塬”(平原)、“隰”(低湿地)等 3 种地貌的分类。成书于公元前四至三世纪的 《尚书》中的 《禹贡》篇描述了我国九州内的山川大势和土壤类型。北魏的郦道元所著 《水经注》(公元六世纪)详细记载了黄河、长江和西江等大河及其沿岸的地形、气候等特征。宋朝沈括根据野外观察完成的《梦溪笔谈》，提出了清晰的海陆变迁和黄土侵蚀搬运、堆积的观点。明代著名的地理学家徐霞客(1586 ～1641)对我国南方地区地貌的类型、分布、成因等进行了详细的观察和记载，后人把他的观察整理成我国著名的地貌著作 《徐霞客游记》。到了清初，孙兰对地貌的形成提出了 “变盈流谦”的观点，即堆积会使地貌变高(变盈)，侵蚀会使高地夷平(流谦)，他还认为地貌的作用力是 “因时而变，因变而变，因人而变”的，从地貌形成的动力学角度论述了地貌的形成和变化。
第四纪地质学的创立始于欧洲。在 18 世纪末至 19 世纪初，欧洲的一些地质学家对分布于基岩之上的松散沉积物进行了研究，当时称为漂积物(drift)。受 《圣经》的影响，19 世纪 20年代的巴克兰(William Buckland，1784～1856)及赛德威克(Adam Sedgwick，1785～1873)提出了这些漂积物形成的洪积理论，曼特尔(Gideon Mantell，1790～1852)还把较老的部分称为洪积层(diluvium)，较新的部分称为冲积层(alluvium)。但随着 19 世纪初极地和高山探险工作的开展，人们直接观察到了冰川的搬运与堆积作用，于是提出了漂积形成的冰川理论。所以，这个时期的佩罗廷(Jean-Pierre Perraudin，1767～1858)、韦内茨(Ignaz Venetz，1788～1859)、 沙 尔 庞捷(Jean de Charpentier，1786～1855 )及 阿 加 西 斯(Louis Agassiz，1807～1873)把瑞土境内漂砾解释为冰川成因。
第四纪这个名称出自法国的一位地质学家，德努瓦耶(J. Desnoyers，1800 ～1887)在研究法国巴黎盆地的地质时，于 1829 年将该盆地覆于第三纪地层之上的松散堆积物命名为第四系(Quaternary System)，将形成这套堆积物的时代称为第四纪(Quaternary Period)，与当时划分出的第一纪、第二纪、第三纪并称，作为地球历史的一个时代。直到 1881 年，在第二届国际地质大会上第四纪这个名称才被正式接纳，并沿用至今。
差不多在同一个时期，英国的著名地质学家莱伊尔(Charles Lyell，1797～1875)根据含现代动物种属的多少，把松散堆积物划分为更新统和全新统。在 1839 年，进一步提出了更新世(Pleistocene)和全新世(Holocene)。这与先前由福布斯(Forbes)(1846)提出的冰川世(Glacial epoch)和 冰 后 期(Post glacial)相对 应。在 19 世 纪 后 半叶，默 奇 森(RoderickMurchisen)提出了第四纪为 “冰河期”。后来，还有些人提出了 “冰川纪”、 “人类纪”、 “灵生纪”等名称，但一直没有被广泛使用。
19 世纪 50 年代开始对冰川堆积物进行地层学研究，发现过去的冰流或冰川曾不止一次地扩展。到了 19 世纪后半期，多数学者建立了多冰期的概念。1877 年盖基(Archibald Geikie，1835～1924)在东英吉利亚(East Anglia)建 立 了 4 次 冰 期。1909 年 彭 克(Albrecht Penck，1858～1945)及布吕克纳(E. Brückner)于阿尔卑斯建立了 4 次冰期。此后在世界各地也先后建立了 4 次冰期。到这个时期，第四纪地质学的一些基本概念和一些基本理论已经确立。
20 世纪 30 年代我国地质学家李四光根据庐山冰碛物的风化程度、接触关系及地貌特征首次划分出中国的 3 次冰期。
地貌学的启蒙早于第四纪地质学，但比较系统的描述或论述开始于 18 世纪中叶。在 1749 ～1788 年，法国博物学家布丰(Georges-Louis Leclerc，Comte de Buffon，1707～1788)在他的巨著 《自然史》中对地表的地形起伏和河流侵蚀进行了科学探讨。后来，英国的地质学家赫顿(James Hutton，1726～1797)在 《地球的学说》(1788)中对河流的侵蚀进行了系统阐述。对地貌学的创立做出巨大贡献的是美国的戴维斯(William Morris Davis，1850～1934)和德国的彭克父子(Albrecht Penck，1858 ～1945; Walther Penck，1888 ～1923)。戴维斯在 1899 年提出地理(地貌)循环学说，认为地貌是构造、营力和时间(侵蚀阶段)的函数。构造运动造成的上升山地在外力作用下，主要是流水侵蚀下，经历了幼年期、壮年期和老年期 3 个阶段。在老年期，地面被夷平为 “准平原”。彭克的 《地貌分析》(1924)提出地貌是内外力同时相互作用下的产物，注意到剥蚀过程与地壳垂直运动的关系，认为山坡形态(凸形坡、凹形坡、直线坡)取决于构造(上升)运动与剥蚀作用之间的数量对比关系。
经过这段时间的探索，第四纪地质学和地貌学的基本概念已经形成，一些基本理论也已经确立，但进展十分缓慢。20 世纪 40 年代以后，随着测年技术、古地磁、深海氧同位素分析等方面研究的突破，第四纪地质学才走上快速发展的道路。