随着科学技术的进步，地理学研究方法不断发展变化。地理学研究始于观察。19世纪以前，以定性描述为主的地理考察、地理探险和与之相联系的地图是地理学研究的基本手段和方法。

19世纪德国A.von洪堡把自然界作为互相联系、互相影响的一个整体，对不同地域不同环境的现象进行比较研究，创立地理比较法。当初的地理比较法仅限于直观的地理比较，即通过地理考察搜集大量第一手资料，直接进行或采用地图方法进行地理要素之间或区域地理特征之间的分析对比，形成对地理环境的认识。此后，与抽象概括和数量表达有关的许多新方法逐步引入地理学研究，以代替单纯描述性的方法，促进了地理学研究方法的革新。主要有地理定位研究、数学方法、遥感方法、系统方法和模拟法等。新方法的使用促使地理学由纯粹的定性研究逐步走向定性与定量相结合，由静态研究走向动态研究，由单纯的资料累积走向机制探讨，乃至趋势分析，使地理学步入现代科学的行列。

最早出现于19世纪40年代，但其真正发展是从20世纪中期开始，随着更加深入地认识地理环境，开展了若干实验研究。地理学研究的对象是一个极为广阔的空间，在时间上和地区上又处在不断的变化之中，凭借简单的手工工具和视力观察很难触及它们的本质。建立定位实验研究，可以得到长期、连续、可靠的地理信息，以此进行较深层次的理论解释。（见地理定位研究）

在地理学中的广泛应用是从20世纪50年代开始的。由于系统论的出现而产生了地理系统概念。地理学位于自然科学和社会科学的交接点上，由许多相对独立而又相互联系的一些分支学科所组成，因此综合研究地理系统显得尤其重要。系统方法为这种研究提供了重要手段。

种类很多，地理学多应用数学和物理模拟。它的意义在于条理化、简化、概括所研究的事物和过程，以深入探明其本质和活动规律。目前在地理学中已建立了很多模型，如自然综合体、生产综合体、城市、土地利用、人口分布、运输流等。但也不是所有的事物和过程都能用模型加以确切的表示，甚至有时建立模型时的简化会歪曲事物和过程的本来面目，故在建立模型时应加以注意。

第二次世界大战以后开始引进地理学研究。庞大复杂的研究对象和简单的研究方法及手段成为地理学发展缓慢的一个重要原因。引用数学、物理等学科的精确方法和新技术成为地理学界的愿望和长期努力的目标。数学方法可使地理学变得比较严谨、精确和完善。数学严密的公理体系、数学思维和数学结构，对于地理学具有理论和实践意义。地理学利用它们来解释地理现象及其变化，用定量指标来表达地理结构，提高了地理学研究的严谨性、系统性和精确度，并由此产生了地理数量方法。电子计算机的应用使大量的地理信息能及时、准确地得到处理。利用电子计算机整理资料，要求地理资料规范化、数值化，但目前地理学的数字资料还不够充分、精确度不高。因此，采用数学方法并不意味着可以轻视传统方法，两者是互为补充、相辅相成的。

1961年苏联人造地球卫星拍摄了地球表面像片。现在卫星图像已经成为地理学研究的一个很普及的工具。遥感方法从根本上改变了过去的地理考察方法和凭借人力的简单观察，在广度和深度上扩大了视野，获得的地理信息数量大大增加。