Геологічні дослідження в Харківському університеті ведуться з моменту заснування кафедри мінералогії й геогнозії в 1837 році на базі створеного ще в 1807 році мінералогічного кабінету (пізніше – музею). Першими завідувачами кафедри були професори – зоологи І.А. Криницький (1837р.), І.А. Калініченко (1837-1842 рр.), пізніше — особи, що отримали освіту з геологічним ухилом: проф. Н.Д. Борисяк (1843-1868 рр.), проф. О.С. Бріо (1869-1905 рр.). У 1863 році з кафедри виділилася самостійна кафедра геології з палеонтологією, однак, після прийняття нового статуту університету, у 1884 році знову відбулося їхнє об’єднання.
У дореволюційному університеті не велася підготовка кадрів геологів, тому невелика кількість досліджень стосувалися питань мінералогії й петрографії (професори Н.Д. Борисяк, О.С. Бріо, П.П. Пятницький (з 1892 року), В.О. Леваковський і особливо А.В. Гуров). З 1905 року (коли відбулося чергове відокремлення кафедр) до 1917 року кафедру мінералогії очолював проф. П.П. Пятницький, який вивчав Український щит. Пізніше слід відзначити роботи проф. К.Н. Савич-Заблоцького по Кавказу, Н.А. Богословського, Н.А. Ремізова, Н.М. Лапіна — по вивченню ґрунтів Курської губернії, А.С. Федоровського – по опису розрізів глибоких свердловин у районі м. Харкова. З 1923 року кафедру очолив проф. К.Н. Савич-Заблоцький. У 1933 році у НДІ геології при Харківському університеті аспірантуру закінчили: Л.І. Карякін, Є.К. Лазаренко, Д.П. Бобровник, К.Г. Шандиба, П.Г. Бєлік та інші.
Іван Федорович Леваковський в 1852 році закінчив фізико-математичний факультет Харківського університету із золотою медаллю й ступенем кандидата, одержавши призначення на посаду вчителя Сімферопольської гімназії. Протягом трьох років життя в Криму він не тільки придбав досвід педагогічної діяльності, але й познайомився з геологічною будовою Кримських гір, що дозволило йому опублікувати деякі результати проведених тут спостережень.
В 1858 році Іван Федорович виїхав за кордон, де слухав лекції палеонтолога й стратиграфа Г. Брона. Восени 1859 р. він повернувся на батьківщину й витримав у Харківському університеті іспит на вчений ступінь магістра мінералогії й геології, а навесні 1860 року захистив дисертацію й був затверджений у посаді ад’юнкта кафедри мінералогії, яку у цей час очолював його вчитель – проф. М.Д.Борисяк.
Іван Федорович був переконаним прихильником ідей Ч.Ляйеля й Ч.Дарвіна. У своїх лекціях і наукових доповідях він використав принцип актуалізму і яскраво висвітлював його сутність, пропагував основні положення еволюційної теорії. Разом з тим він заперечував проти посилань Ч.Дарвіна на відсутність перехідних форм між родинними видами внаслідок неповноти геологічного літопису й звертав увагу на конкретні генетичні ряди форм, що підтверджують спрямовану мінливість видів.
Особливо плідним у науковій діяльності Леваковського був період з 1869 р. по 1889 р., коли він продовжував регіональні геологічні й гідрогеологічний роботи, початі професором Н. Д.Борисяком, а також поклав початок геоморфологічним дослідженням у Харківському університеті.
В одній з ранніх робіт – «Нарис рельєфу Харківської губернії» (1863) – Леваковський висловив цілком сучасний погляд на рельєф, як «… загальний й остаточний результат всіх попередніх переворотів і змін». У роботі «Води Росії стосовно її населення» (1889) він прийшов до висновку про льодовикове походження валунних відкладів. У більш пізній своїй статті «Про ґрунт і воду Харкова» (1875) І.Ф.Леваковський обґрунтував стародавність закладення річкової мережі й наявність трьох фаз розмиву долин рік верхньої частини басейну Сіверського Дінця.
З регіональних геологічних робіт І.Ф.Леваковського найцікавіші його докторська дисертація й, особливо, «Дослідження осадів крейдової і наступних за нею формацій на просторі між Дніпром і Волгою» (1874). У дисертації відзначена присутність серед пермських відкладів Донбасу «нижньої групи червоноколірних глин і пісковиків»,атакож вище залягаючої «вапнякової групи із шарами гіпсу», що містить «безсумнівно, цехштейнові скам’янілості» й «групи конгломератів і пісковиків» невизначеного віку. У цій же роботі Іван Федорович обґрунтував пермський вік соленосної товщі Бахмутської котловини.
У працях І.Ф.Леваковського розглядалися, також, різні гідрогеологічні питання, пов’язані з вивченням неогенових водоносних горизонтів, ґрунтових і поверхневих вод. Йому належить перший нарис про гідрогеологію району м. Харкова – «Про ґрунт і воду Харкова,1875», у якому були порушені такі важливі питання, як походження підземних вод досліджуваної місцевості, формування різних «водоносних ярусів» і їх зв’язок один з одним, специфічність хімічного складу вод кожного «ярусу». Інші значні гідрогеологічні роботи І.Ф. Леваковського – «Зовнішні й підземні води в Катеринославській і Тавричеській губерніях, залежно від місцевих умов» (1883) і «Води Росії стосовно її населення» (1889). У цих роботах висловлені думки, багато з яких не втратили свого значення й нині.
І.Ф. Леваковський цікавився, також, питаннями ґрунтознавства. У роботах «Матеріали до вивчення чорнозему» (1871) і «Про ґрунт і воду м. Харкова» (1875) він встановив ряд основних положень, прийнятих і розвинених згодом В.В. Докучаєвим. Вони стосувалися питань поширення й властивостей чорнозему, ролі материнських порід, рельєфу й землероїв у його формуванні та ін.
З 1880 по 1887 р. І.Ф. Леваковський займав посаду декана й багато чого зробив для вдосконалення роботи фізико-математичного факультету. В 1887 р. йому було привласнене звання заслуженого професора. Він був укладачем проекту уставу, одним з організаторів, а потім протягом 20 років головою Харківського суспільства випробувачів природи (ХСВП). Крім І.Ф. Леваковського в роботі ХСВП брали активну участь багато геологів університету: О.В. Гуров, А.С. Бріо, Ф.М. Женжурист, А.А. Носов й ін.
Спадкоємцем І.Ф. Леваковського на посту завідувача знов об’єднаною (з мінералогічною) кафедрою з 1889 і до 1906 року став Олександр Васильович Гуров.
Олександр Васильович Гуров – найбільш великий вчений-геолог дореволюційного періоду в Харківському університеті. Закінчивши в 1867 р. природниче відділення фізико-математичного факультету Харківського університету зі ступенем кандидата природничих наук, він був залишений при університеті для підготовки до професорського звання. З 1867 по 1873 р. Гуров проводив геологорозвідувальні роботи в Донбасі, зокрема керував бурінням першої свердловини в м.Бахмут, що розкрила в 1875 р. кам’яну сіль. В 1873-1875 р. Гуров удосконалювався в Парижу й Лондоні.
В 1869 р. О.В. Гуров значно розширив палеонтологічну характеристику верхньоюрських відкладів північно західної окраїни Донбасу, істотно уточнив і деталізував їх стратиграфічне розчленування. В 1882 р. Гуров захистив магістерську дисертацію «До геології Катеринославської і Харківської губерній», у якій розділив кам’яновугільні відклади Донбасу на два відділи: нижній і верхній, а останній розділив на два яруси: софіевський з головними вугільними шарами й дружковський, що відрізняється перехідним пермо-карбоновым характером. Ще в середині 70-х років О.В. Гуров, повернувшись із закордонної поїздки, уперше в університеті застосував мікроскопічний метод для вивчення гірських порід й скам’янілостей. Особливою увагою О.В. Гурова користувався геологічний кабінет, що був перенесений у новий будинок й їм особисто спланований і оснащений мікроскопами. 1888 р. Гуров успішно захистив докторську дисертацію «Геологічний опис Полтавської губернії». В 1893 р., заперечуючи Н. А. Соколову щодо віднесення його полтавського ярусу до олігоцену, О.В. Гуров указав, що з олігоценом співставляються зелені глини з бурим вугіллям, що підстилають «ярус білих пісків і жорнових пісковиків», і зіставив їх з буроугольною формацією і бурштиноносними глинами Прибалтики.
Дуже цікаві геоморфологічні узагальнення Гурова. У Придніпров’ї він виділив Придніпровську низовину, що відповідає області поширення четвертинних терас Дніпра і обґрунтував провідну роль у формуванні її рельєфу діяльності рік і льодовика, що, на його думку, проникав з півночі на територію України двічі. Багато уваги О.В. Гуров приділяв регіонально-гідрогеологичним дослідженням, у яких розвивав прогресивні погляди М.Д. Борисяка про Днепровсько – Донецьку западину в якості великого артезіанського басейну. З його ім’ям пов’язане буріння в Харкові на власні кошти першої в Росії глибокої артезіанської свердловини (близько 600 м) на підкрейдову артезіанську воду,що функціонувала до Великої Вітчизняної війни і забезпечила місто на десятиліття питною водою. Гуровим, також, була правильно витлумачена органогенна природа писальної крейди, відклади якої були пройдені цієї свердловиною. Необхідно відзначити, що ще в 1886 р. О.В. Гуров, вивчаючи крейдові відклади Харківщини, встановив породоутворюючу роль кокколітофорид, що згодом було підтверджено А.Д. Архангельським (1912) для Поволжя.
У 1911 р. завідувачем кафедри геології й палеонтології став відомий палеонтолог і стратиграф Микола Андрійович Богословський, що працював до цього в Геологічному комітеті.
У 1914 р. завідуючим кафедрою геології був обраний професор Дмитро Миколайович Соболев.
Дмитро Миколайович Соболєв закінчив в 1899 р. природне відділення фізико-математичного факультету Варшавського університету із золотою медаллю й ступенем кандидата природних наук. Ще студентом 3-го курсу він почав дослідження стратиграфії й тектоніки Келецко-Сандомирского кряжу, а по закінченні університету працював у Варшавському політехнічному інституті спочатку у проф. А. Е. Лагорио, потім у проф. В. П. Амалицького й, протягом одного року, у проф. Ф. Ю. Левинсон-Лессинга.В 1910 р. Д. М. Соболєв опублікував тектонічну схему Келецько-Сандомирського кряжа, що служить емблемою Польського геологічного суспільства. Складена ним тектонічна карта Європи (1911) увійшла в підручники по геології СРСР А. Д. Архангельського й А. Н. Мазаровича, а також у відоме зведення С. Н. Бубнова.В 1911 р. Д. М. Соболєв захистив у Московському університеті магістерську дисертацію на тему «Середній девон Келецко-Сандомирського кряжу», опубліковану в 1909 р. в «Матеріалах для геології Росії». Його опонентом був проф. А. П. Павлов. Зазначена робота висунула Д. М. Соболєва в перші ряди російських геологів.
В 1914 р. Соболєв подав у Київський університет докторську дисертацію «Нариси по філогенії гоніатитів», безпідставно відхилену. Д. М. Соболєв перші роки роботи в Харківському університеті зосередився на завершенні початих раніше досліджень. Він поставився з більшою увагою до праць своїх попередників і близько познайомився із проф. О. В. Гуровим, однак продовжити їхнього дослідження зміг лише по закінченні більше 10 років. коли в 1933 р. був відновлений статус університету. В 1922 р. Наркомпрос УРСР прийняв рішення про організацію науково-дослідної кафедри геології, яку очолив Д.М. Соболєв. Ця кафедра включала три секції й була подібна сучасним галузевим лабораторіям У складі кафедри, що налічувала 12 чоловік, були професори К. Н. Савич-Заблоцький, Н.С. Ватич, Н.И. Дмитрієв, Н.И. Криштафович, А.С. Федоровський, М.А. Ремізов.
Після відновлення університету в 1933 році на створеному геолого-географічному факультеті в 1934 році була заснована кафедра петрографії. В цей же час на факультеті почалося викладання гідрогеології як окремого курсу. В 1934-1935 учбовому році в Харківському університеті була відкрита кафедра гідрогеології та інженерної геології. З відкриттям кафедри гідрогеологічні дослідження набули систематичного і цілеспрямованого характеру.
Першим завідувачем кафедри гідрогеології з 1934 по 1937 рік був професор Р.Р. Виржиківський, який був незаслужено репресований і загинув в 1937 р. З квітня 1937 по 1947 р. кафедрою гідрогеології завідував доцент А.С. Таран. В цей час на кафедрі виконувався великий обсяг робіт по гідрогеологічному обґрунтуванню проблем Великого Донбасу, Сіверського Дінця, обґрунтуванню гідротехнічного будівництва на Дніпрі, Саксагані, Інгульці, малих ріках Харкова, а також роботи по обґрунтуванню будівництва в містах Харків, Полтава, Донецьк, Кременчук, Кривий Ріг, Суми, Луганськ, Лисичанськ, Артемівськ та інших.
З 1947 по 1965 рік кафедрою гідрогеології завідував доцент Г.М. Захарченко. Кафедра оновилася та поповнилась новими співробітниками (доценти О.Н. Макаренко, Г.Г. Великий, К.Є. Канський, В.Н. Синицький, І.Г. Сухно, В.С. Мартиненко, В.К. Панфілов та іншими).
В цей період виконані масштабні дослідження, серед яких необхідно відмітити такі: «Гідрогеологія Криворіжжя в зв’язку з гідротехнічним будівництвом», «Гідрогеологічні дослідження і проекти Каховського водосховища на Дніпрі», гідрогеологічні дослідження Печенізького і Червонооскільського водосховищ, інженерно-геологічні умови Лебединського родовища залізних руд КМА, гідрогеологія верхнього гідрогеологічного поверху Дніпровсько-Донецького артезіанського басейну та інші.
З 1965 по 1970 рік кафедрою гідрогеології завідував доцент О.Н. Макаренко. Він виконав ґрунтовні дослідження по гідрогеології району будівництва Каховської гідроелектростанції і вперше спрогнозував можливість виникнення комплексу негативних явищ, зокрема підтоплення земель, в зв’язку з порушенням природного режиму підземних вод під впливом гідротехнічного будівництва. Цей прогноз з часом підтвердився. З 1970 по 1984 рік кафедру гідрогеології очолював професор Г.Г. Мальований. Кафедра поповнилася новими співробітниками (доценти В.О. Терещенко і Ю.С. Кормілець, О.І. Бублай, К.А. Нємець, В.П. Дворовенко, Ф.В. Чомко). В 1981 р. на кафедрі були розпочаті дослідження по вивченню міжмерзлотного водоносного горизонту і можливості водопостачання за рахунок підземних вод промислів Уренгойського газоконденсатного родовища і м. Новий Уренгой в Тюменській області Росії (керували дослідженнями професор Г.Г. Мальований і доцент В.О. Терещенко, а згодом доцент Ф.В. Чомко).
З 1984 по 1986 рік кафедру очолював доцент К.А. Нємець. В 1986-1995 роках кафедрою гідрогеології завідував доцент В.О. Терещенко. Він залучив до роботи на кафедрі професора В.М. Воєводіна і доцента І.К. Решетова та організував філію кафедри гідрогеології при науково-дослідному інституті УкрсхідДІНТР.
З 1991 р. на кафедрі гідрогеології з початку під керівництвом доцента В.О. Терещенка, а з 1997 р. під керівництвом професора І.К. Решетова виконуються тематичні держбюджетні науково-дослідні роботи по комплексному використанню підземних вод Слобожанщини і північно-східної України, і розроблена програма поетапного переходу до альтернативного питного водозабезпечення за рахунок екологічно чистих підземних джерел.
В 1943 році, після звільнення м. Харкова, виник геологічний факультет, а мінералого-петрографічна спеціальність поповнилася курсом по петрографії осадових порід. З 1943 року на кафедрі почав працювати проф. С.П. Попов.
В 1943 році, відразу після звільнення Харкова, геолого-географічний факультет був розділений (до 1960 року) на два факультети – географічний і геологічний. У післявоєнні роки дослідження зі стратиграфії й палеонтології в університеті продовжили А. Е. Юнгерман, В. П. Макрідін, Т. Ф. Євсеєв, Г. Д. Соболєв, О. В. Савчинська, Е. Е. Мігачова, М. С. Зінов’єв, а згодом – С. І. Шуменко.
У травні 1950 р., у зв’язку з реорганізацією в системі вищої освіти на Україні, був ліквідований НДІГ геології, і науково-дослідна робота цілком зосередилася на кафедрах геологічного факультету. Були утворені кафедри геології (зав. кафедри доц. Денис Павлович Назаренко) та палеонтології (зав. кафедри доцент А Е. Юнгерман). Безпосередньо Д.М. Соболєва на пості завідувача кафедрою геології змінив доцент Д.П. Назаренко, що займався вивченням геоморфології й тектоніки Сходу України. Він обіймав декілька років посаду проректора по навчальній роботі Харківського університету.
Починаючи з 1955-1960 р. на основі ідей школи Д. М. Соболєва почали виникати нові наукові напрямки, паростки нових шкіл.Першим з них виявився літологічний напрямок досліджень, який одержав розвиток у зв’язку з роботами проф. М. В. Логвиненко, що захистив в 1949 р. докторську дисертацію на тему «Літологія й палеогеографія продуктивної товщі донецького карбону». В 1955 р., після кончини проф. М. А. Ремізова, він очолив кафедру петрографії, а в 1960 р. – об’єднану кафедру мінералогії й петрографії. Завдяки його енергії була розгорнута хоздоговорна тематика, на засоби від виконання якої в короткий строк вдалося істотно розширити технічну базу кафедри й налагодити проведення в широких масштабах термічних, рентгенівських, електронно-мікроскопічних й інших досліджень.
1960 році після злиття кафедр геології й палеонтології, кафедру,за назвою кафедри геології й палеонтології,очолив один із учнів Д. Н. Соболєва професор Володимир Петрович Макрідін.
Після ліквідації НДІ геології наукова робота зосередилася на кафедрах. В 50-ті роки по кафедрі мінералогії захистили кандидатські дисертації Г.Н. Бровков, А.П. Бубнов, П.В. Заріцький, К.А. Поправко. У 1959 році при кафедрі була організована Харківська група Українського мінералогічного товариства. Літологічна тематика наукових досліджень особливо широко розгорнулася після того, як проф. Н.В. Логвиненко очолив кафедру петрографії в 1955році, а з 1960 року – об’єднану кафедру мінералогії та петрографії. Були надруковані перші монографії по мінералогії й літології (Заріцький, 1959; Логвиненко, Карпова, Шапошніков, 1961р.). Після переходу проф. Н.В. Логвиненка на роботу в Ленінград у 1964 році кафедру очолив П.В. Заріцький, а після того, як він пішов до докторантури — проф. Л.І. Карякін (1964-1968р.). З 1968 до 2003 року кафедру знову очолював проф. П.В. Заріцький. У ці роки захистили докторські дисертації: П.В. Заріцький (1966р.), Г.В. Карпова (1967р.), С.І. Шуменко (1971р.). У 1986 році кафедра була перейменована в кафедру мінералогії, петрографії та корисних копалин з передачею їй циклу дисциплін по корисним копалинам і геофізиці. Із цього часу в штат кафедри влилися доц. Т.А. Сергєєва, доц. В.В. Андрєєв, старші викладачі В.Я. Пересадько, Б.Г. Червоний.
З початку 1950 – х років на кафедрі розвивається новий літолого-геохімічний напрямок вивчення осадових порід і пов’язаних з ними корисних копалин: вчення про конкреції – конкреціологія та методика конкреційного аналізу (проф. П.В. Заріцький). З 1987 року з ініціативи проф. П.В. Заріцького вперше в Україні у Харківському університеті була уведена нова перспективна спеціалізація – літологія.
Кафедра стала визнаним у країні й за рубежем центром по конкреціологічній проблематиці та підготовці спеціалістів і магістрів – літологів, які до того ж володіють методикою конкреційного й фаціально-формаційного аналізів.
З 1990 по 2002 р. посаду завідувача кафедри геології займав професор Станіслав Іванович Шуменко
У 2003 р. завідувачем кафедри геології був обраний доктор геологічних наук, талановитий учень В. П. Макрідіна – Васильєв Олександр Миколайович (1956-2005).
У 2005 р. завідувачем кафедри геології наказом ректора був призначений один з учнів В.П. Макрідіна й В.П. Камишана – доцент Едуард Станіславович Тхоржевський.
У 2012 році завідувачем кафедри був призначений доктор геологічних наук, професор Височанський Іларіон Володимирович, відомий фахівець з геології нафти та газу.
З 2003 по 2021 рр. кафедру мінералогії очолював Фик Ілля Михайлович, доктор технічних наук, віце-президент нафтогазової Академії України, професор.
З 2014 р. на кафедрі мінералогії відкрито спеціальність 8.04010305 «Геологія нафти і газу». У квітні 2015 року пройшла ліцензування нова спеціалізація «Екогеохімія нафти і газу».
У 2022 році відбулася реорганізація трьох кафедр геологічного спрямування – на їх базі було створено кафедру фундаментальної та прикладної геології, яку очолив кандидат геологічних наук Валерій Васильович Сухов.