ภาควิชาธรณีวิทยา วิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เปิดทำการสอนมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2501 มีศาสตราจารย์ ดร. แถบ นีละนิธิ คณบดีคณะวิทยาศาสตร์ และรักษาการหัวหน้าภาควิชาธรณีวิทยา (สมัยนั้นเรียกแผนกวิชา) มีศาสตราจารย์ ดร. Th. H. F. Klompe ชาวฮอลันดา เป็นผู้ร่างหลักสูตร ร่วมกับกรมทรัพยากรธรณี (กรมโลหกิจเดิม) ต่อมาเมื่อวันที่ 14 กรกฎาคม พ.ศ. 2502 จึงได้รับอนุมัติจากสภามหาวิทยาลัยให้จัดตั้งเป็นภาควิชาธรณีวิทยาขึ้นในคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย อย่างเป็นทางการ ตามข้อบังคับจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย ว่าด้วยการจัดเพิ่มแผนกวิชาในคณะต่างๆ แห่งจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย พ.ศ. 2502 (ประกาศ ณ วันที่ 13 กรกฎาคม พ.ศ. 2502)

ในช่วงต้นของการพัฒนาภาควิชา ภาควิชาธรณีวิทยาได้รับการช่วยเหลือทั้งด้านอุปกรณ์การสอน และการพัฒนาบุคลากร จากองค์กรทั้งในและต่างประเทศจำนวนมาก ปีแรกที่เปิดดำเนินการ ยังไม่มีอาคารสำนักงานของตนเอง ได้อาศัยห้อง 111 ตึกชีววิทยา และห้อง 216 ตึกเคมี 2 เป็นห้องเรียน ห้องสมุดได้อาศัยจากหลายแห่ง เช่น หอสมุดกลาง ห้องสมุดคณะวิทยาศาสตร์ ห้องสมุดภาควิชาเคมี ห้องสมุดภาควิชาชีววิทยา และห้องสมุดกรมทรัพยากรธรณี เป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากภาควิชาธรณีวิทยามีอาจารย์ประจำอยู่เพียงคนเดียว คือ ศาสตราจารย์ ดร. Klompe การสอนนั้นย่อมจะต้องหนักบ้างเป็นธรรมดา แต่ก็มีอาจารย์พิเศษจากหน่วยงานต่าง ๆ มาช่วยสอนด้วย เช่น อาจารย์ไสว สุนทโรวาท จากคณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาฯ อาจารย์ชุมเจษฎ์ จรัลชวนะเพท ผู้เชี่ยวชาญธรณีวิทยา จากกรมทรัพยากรธรณี ดร. C.Y. Li นักธรณีวิทยาจาก ECAFE ศาสตราจารย์ ม.จ. ประสมสวัสดิ์ สุขสวัสดิ์ จากคณะสถาปัตยกรรมศาสตร์ จุฬาฯ เป็นต้น สำหรับแผนที่ ตัวอย่างแร่หิน และอุปกรณ์การสอนอย่างอื่นที่ใช้ในการสอนนั้น ศาสตราจารย์ ดร. Klompe ได้นำติดตัวมาจากต่างประเทศบ้าง และได้รับการอุปถัมภ์จากกรมทรัพยากรธรณีบ้าง

ปี พ.ศ. 2502 ได้ย้ายที่ทำการภาควิชา จากห้อง 111 ตึกชีววิทยาหลังเก่า ไปอยู่ห้อง 233 ตึกชีววิทยาหลังใหม่ ซึ่งมีขนาดกว้างกว่าเดิม 3-4 เท่า พอมีเนื้อที่แบ่งเป็นห้องพักอาจารย์ได้ 1 ห้อง ห้องทำงานของเจ้าหน้าที่ได้ 1 ห้อง และจัดเป็นที่อ่านหนังสือ โดยมีตู้ โต๊ะ วาง 3-4 ตัว เรียกว่าพอเป็นห้องสมุดเล็ก ๆ ได้ บางครั้งก็อาศัยเป็นห้องปฏิบัติการ ดูแร่และหินในห้องนั้นได้ด้วย การเรียนการสอนก็ยังใช้อาจารย์ชุดเดิม และสถานที่เรียนเดิมทั้งหมด

กลางปี พ.ศ. 2503 ได้ย้ายที่ทำการภาควิชาอีกครั้งมาอยู่ที่ตึกห้องสมุดคณะวิทยาศาสตร์ (อาคารแถบ นีละนิธิ) ซึ่งสร้างเสร็จใหม่ ๆ เป็นอาคาร 4 ชั้นที่ทันสมัย มีหน้าต่างกระจกรอบด้าน ที่ทำการภาควิชาฯ อยู่บนชั้นที่ 3 และ 4 ของตึกห้องสมุดฯ ตั้งแต่ได้ย้ายที่เรียนและที่ทำการมาอยู่ที่ตึกห้องสมุดฯ แล้ว ภาควิชาธรณีวิทยาได้พัฒนาตัวเองเกือบทุกด้าน ตั้งแต่สถานที่ทำงาน ได้จัดให้เป็นสัดเป็นส่วน ห้องพักอาจารย์ ห้องธุรการ ห้องสมุด ห้องเก็บของ ห้องทำ Thin Section ห้องปฏิบัติการ และห้องเรียนที่ทันสมัย ซึ่งส่วนมากใช้ฉายสไลด์ และภาพยนตร์ได้ด้วย อุปกรณ์การเรียนการสอนต่าง ๆ เช่น ตัวอย่างแร่และหิน กล้องจุลทรรศน์ และเครื่องใช้ในสนามเรามีครบครัน หนังสือนั้นได้รับบริจาคจากองค์การ USOM เป็นจำนวนมาก พร้อมทั้งรถยนต์จิ๊ปวิลลี่หน้ากบ 1 คัน และกล้องจุลทรรศน์อีก 2-3 กล้อง เป็นต้น ในปีนี้เองภาควิชาธรณีวิทยา ได้มีอาจารย์ประจำชาวต่างประเทศมาสอนเพิ่มอีก 1 คน คือ ดร. W.F. Beeser เป็นชาวฮอลันดา ชาติเดียวกับ ศาสตราจารย์ ดร. Klompe นั้นเอง ดร.W.F. Beeser ผู้นี้ภายหลังจากได้มาประจำทำการสอนแล้ว ได้ช่วยแบ่งเบางานด้านวิชาการของ ศาสตราจารย์ ดร. Klompe ไปได้มาก โดยเฉพาะวิชา Optics, Mineralogy, Petrography และ Fieldwork ต่อมาภายหลังจากการสอนมาครบ 4 ปีตามสัญญาแล้ว ได้ต่ออายุสัญญาจ้างอีกครั้งโดยไม่มีกำหนด ระยะเวลา ให้สอนไปจนกว่าจุฬาฯ จะบอกเลิกจ้าง ดร. Beeser ได้ทำการสอนที่ภาควิชาธรณีวิทยา มาตลอดตั้งแต่ต้น จนกระทั่งถึงแก่กรรม เมื่อเดือนเมษายน พ.ศ. 2525 รวมเวลาทำการสอนได้ประมาณ 22 ปีเศษ

ปี พ.ศ. 2509 คณะวิทยาศาสตร์ได้รับงบประมาณหมวดค่าที่ดิน และสิ่งก่อสร้างสำหรับสร้างตึกที่ทำการ ภาควิชาธรณีวิทยา และภาควิชาพฤกษศาสตร์ เป็นอาคารถาวร 4 ชั้น ทรงปั้นหยา ใช้เวลาก่อสร้างอยู่ประมาณ 1 ปี จึงแล้วเสร็จ คือ ตึกภาควิชาธรณีวิทยา และภาควิชาพฤกษศาสตร์ ในปัจจุบัน และเมื่อวันที่ 26 มีนาคม พ.ศ. 2510 ภาควิชาธรณีวิทยาจึงได้ย้ายที่ทำการและอาคารเรียนอีกครั้ง จากตึกห้องสมุดคณะฯ มาอยู่ตึกธรณีวิทยาซึ่งสร้างเสร็จและส่งมอบเรียบร้อยแล้ว เป็นการถาวรตลอดมา จนกระทั่งปัจจุบัน

ปี พ.ศ. 2520 ภาควิชาธรณีวิทยา เริ่มเปิดให้มีการเรียนการสอน ในหลักสูตรปริญญามหาบัณฑิต (ปริญญาโท) สาขาวิชาธรณีวิทยาเป็นครั้งแรก หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2541 ภาควิชาธรณีวิทยาได้มีการพัฒนาอีกขั้นหนึ่ง โดยเปิดหลักสูตรปริญญาดุษฎีบัณฑิต (ปริญญาเอก) ในสาขาวิชาธรณีวิทยา และได้รับการอนุมัติจากสภามหาวิทยาลัย ให้ทำการรับนิสิตได้ในปีถัดไป และปี พ.ศ. 2542 ภาควิชาธรณีวิทยาได้รับการอนุมัติเปิดหลักสูตรปริญญามหาบัณฑิต สาขาวิชาโลกศาสตร์ อีกหนึ่งหลักสูตร