核地质学（nuclear geology）是由核科学技术与地学相结合而形成的交叉学科。与传统的同位素地质学相比，核地质学包括的研究内容要多得多。研究方向是用核反应和核结构理论、放射性核素的衰变规律、核辐射 与物质的相互作用、各种核分析方法和同位素示踪技术等核科学技术的基本理论和实验方法研究地层学、环境地学、岩石学、矿物学、沉积学、
海洋地质学、构造地质学以及天文地质学等众多地质学中的基本问题。
①元素的起源、合成及丰度特征的研究。根据核科学理论，自然界中存在的所有元素是由不同的核反应合成的。约137亿年前的宇宙大爆炸首先合成了
元素周期表中最轻的两种元素氢和氦。在随后的星际演化过程中，通过热核聚变反应、中子俘获核反应和其他一些核反应，合成了迄今人类已发现的所有
元素。此外，利用核反应截面、入射粒子的能谱和通量等核参数，可计算出各种元素的天然丰度。
②同位素地质年代学。利用同位素的丰度变化以及
放射性核素的衰变规律，研究太阳系（包括地球）形成的历史，以及在不同地质作用条件下地球物质的迁移规律。常用的有K–Ar法（包括Ar–Ar法）、Pb–Sr法、Sm–Nd法、Os–Re法（包括Os–Os法）、U–Th–Pb法等。利用这类同位素年代测定法，可推断出宇宙年龄的上限，以及银河系、太阳系及其各成员的形成年龄，还可用来测定各种地质标本的年龄。
③地球演化史中重要事件的研究。利用
中子活化分析法、加速器质谱技术、
同位素示踪技术等核方法，研究自地球形成以来的一些重大事件。典型例子是通过
中子活化分析测定地层界线样品中的铱丰度，研究包括恐龙绝灭在内的
生物大灭绝事件。
诺贝尔奖得主L.阿尔瓦雷茨领导的研究小组首先利用
中子活化法测得若干白垩系–第三纪界线黏土层中的铱含量异常的高，借以提出了在距今6,500万年左右，有一颗直径约为10千米的小行星撞击地球，从而导致了恐龙绝灭这一地外物质撞击模型，由此推动了地球演化史中五次生物大灭绝事件的研究。
④矿藏资源（包括海底矿藏资源）的调查。利用核分析方法具有多元素分析能力、抗干扰性强、可进行实时和动态分析等特点，核技术广泛用于金矿普查、铀矿勘探、各种稀有金属以及
海底锰结核资源的调查等，亦可用于地质普查和月壤分析等工作。此外，还用核分析方法实现了对火星表面的实时分析，利用α射线轰击样品，产生X射线的反应，将火星表面的化学组成传输到远离450亿千米的地球上；还可用核技术验证地学中的一些重大基础问题，如板块学说、
海底扩张学说、地磁反转、高分辨地层划分标志等。
核地质学还研究天然
放射性核素在各种地质作用中的行为，在地壳演化过程中的迁移、聚集和分布规律及其开发利用。已发现的天然放射性核素超过230种，目前研究得较多的是与核能和作为地质过程的示踪物、地质计年、放射性测量等有关的核素，其中尤其对作为核电燃料的铀元素研究得最为广泛和深入，已经形成相对成熟的
铀地球化学、铀矿物学、铀矿床学、铀矿勘查地质学等学科。随着人们对天然放射性核素及其开发利用对环境的影响，以及核废物处置的重视，形成了核环境学。