對第四紀地質和地貌進行科學研究始於 18 世紀的歐洲，但中國很早就產生了對水文、氣候和地貌的啟蒙研究。3000 年前我國人民就已對黃河流域的降水性質、農作物品種、被狩獵動物有所記載。在西周的 《詩經·大雅·篤公流》中，已有 “崗”(丘陵)、 “塬”(平原)、“隰”(低濕地)等 3 種地貌的分類。成書於公元前四至三世紀的 《尚書》中的 《禹貢》篇描述了我國九州內的山川大勢和土壤類型。北魏的酈道元所著 《水經註》(公元六世紀)詳細記載了黃河、長江和西江等大河及其沿岸的地形、氣候等特征。宋朝沈括根據野外觀察完成的《夢溪筆談》，提出了清晰的海陸變遷和黃土侵蝕搬運、堆積的觀點。明代著名的地理學家徐霞客(1586 ～1641)對我國南方地區地貌的類型、分布、成因等進行了詳細的觀察和記載，後人把他的觀察整理成我國著名的地貌著作 《徐霞客遊記》。到了清初，孫蘭對地貌的形成提出了 “變盈流謙”的觀點，即堆積會使地貌變高(變盈)，侵蝕會使高地夷平(流謙)，他還認為地貌的作用力是 “因時而變，因變而變，因人而變”的，從地貌形成的動力學角度論述了地貌的形成和變化。
第四紀地質學的創立始於歐洲。在 18 世紀末至 19 世紀初，歐洲的壹些地質學家對分布於基巖之上的松散沈積物進行了研究，當時稱為漂積物(drift)。受 《聖經》的影響，19 世紀 20年代的巴克蘭(William Buckland，1784～1856)及賽德威克(Adam Sedgwick，1785～1873)提出了這些漂積物形成的洪積理論，曼特爾(Gideon Mantell，1790～1852)還把較老的部分稱為洪積層(diluvium)，較新的部分稱為沖積層(alluvium)。但隨著 19 世紀初極地和高山探險工作的開展，人們直接觀察到了冰川的搬運與堆積作用，於是提出了漂積形成的冰川理論。所以，這個時期的佩羅廷(Jean-Pierre Perraudin，1767～1858)、韋內茨(Ignaz Venetz，1788～1859)、 沙 爾 龐捷(Jean de Charpentier，1786～1855 )及 阿 加 西 斯(Louis Agassiz，1807～1873)把瑞土境內漂礫解釋為冰川成因。
第四紀這個名稱出自法國的壹位地質學家，德努瓦耶(J. Desnoyers，1800 ～1887)在研究法國巴黎盆地的地質時，於 1829 年將該盆地覆於第三紀地層之上的松散堆積物命名為第四系(Quaternary System)，將形成這套堆積物的時代稱為第四紀(Quaternary Period)，與當時劃分出的第壹紀、第二紀、第三紀並稱，作為地球歷史的壹個時代。直到 1881 年，在第二屆國際地質大會上第四紀這個名稱才被正式接納，並沿用至今。
差不多在同壹個時期，英國的著名地質學家萊伊爾(Charles Lyell，1797～1875)根據含現代動物種屬的多少，把松散堆積物劃分為更新統和全新統。在 1839 年，進壹步提出了更新世(Pleistocene)和全新世(Holocene)。這與先前由福布斯(Forbes)(1846)提出的冰川世(Glacial epoch)和 冰 後 期(Post glacial)相對 應。在 19 世 紀 後 半葉，默 奇 森(RoderickMurchisen)提出了第四紀為 “冰河期”。後來，還有些人提出了 “冰川紀”、 “人類紀”、 “靈生紀”等名稱，但壹直沒有被廣泛使用。
19 世紀 50 年代開始對冰川堆積物進行地層學研究，發現過去的冰流或冰川曾不止壹次地擴展。到了 19 世紀後半期，多數學者建立了多冰期的概念。1877 年蓋基(Archibald Geikie，1835～1924)在東英吉利亞(East Anglia)建 立 了 4 次 冰 期。1909 年 彭 克(Albrecht Penck，1858～1945)及布呂克納(E. Brückner)於阿爾卑斯建立了 4 次冰期。此後在世界各地也先後建立了 4 次冰期。到這個時期，第四紀地質學的壹些基本概念和壹些基本理論已經確立。
20 世紀 30 年代我國地質學家李四光根據廬山冰磧物的風化程度、接觸關系及地貌特征首次劃分出中國的 3 次冰期。
地貌學的啟蒙早於第四紀地質學，但比較系統的描述或論述開始於 18 世紀中葉。在 1749 ～1788 年，法國博物學家布豐(Georges-Louis Leclerc，Comte de Buffon，1707～1788)在他的巨著 《自然史》中對地表的地形起伏和河流侵蝕進行了科學探討。後來，英國的地質學家赫頓(James Hutton，1726～1797)在 《地球的學說》(1788)中對河流的侵蝕進行了系統闡述。對地貌學的創立做出巨大貢獻的是美國的戴維斯(William Morris Davis，1850～1934)和德國的彭克父子(Albrecht Penck，1858 ～1945; Walther Penck，1888 ～1923)。戴維斯在 1899 年提出地理(地貌)循環學說，認為地貌是構造、營力和時間(侵蝕階段)的函數。構造運動造成的上升山地在外力作用下，主要是流水侵蝕下，經歷了幼年期、壯年期和老年期 3 個階段。在老年期，地面被夷平為 “準平原”。彭克的 《地貌分析》(1924)提出地貌是內外力同時相互作用下的產物，註意到剝蝕過程與地殼垂直運動的關系，認為山坡形態(凸形坡、凹形坡、直線坡)取決於構造(上升)運動與剝蝕作用之間的數量對比關系。
經過這段時間的探索，第四紀地質學和地貌學的基本概念已經形成，壹些基本理論也已經確立，但進展十分緩慢。20 世紀 40 年代以後，隨著測年技術、古地磁、深海氧同位素分析等方面研究的突破，第四紀地質學才走上快速發展的道路。