På Svalbard finner vi bergarter fra praktisk talt alle geologiske tidsperioder. Få steder trer geologien bedre fram enn på Svalbard hvor vegetasjonen er svært sparsom. Dette har begeistret geologene helt siden den første norske geologiske ekspedisjonen til Keilhau i 1827. Svalbard er et populært mål for geologer fra hele verden. I dag ser Svalbard nærmest ut som et landskap mot slutten av istiden. Det er nakent, vegetasjonen er sparsom, og over halvparten av landet er dekket av breer som skyver fram morener. Elvene vasker med seg stein, grus og leire, og massene legger seg som sletteland i dalene og som delta utover i sjøen. 

De eldste bergartene fra tiden prekambrium (>1.000 – 440 mill. år) utgjør grunnfjellet og består av omdannete sedimentære og vulkanske bergarter som glimmerskifer, gneiser og smeltebergarter som granitter. Fra prekambrium finnes det få fossiler. Dette skyldes den sterke omdanningen av bergartene fra denne tiden, og at livet var i en tidlig utviklingsfase. 

For over 400 millioner år siden var jordskorpen i Svalbard-området i bevegelse. Det ble dannet fjellkjeder (den kaledonske fjellkjedefolding) som granitt trengte inn i. Granittene utgjør noen av de høyeste fjelltoppene på Svalbard i dag. Senere tiders erosjon har brutt ned mesteparten av fjellkjedene.  

Etter fjellkjedefoldingen kom devontiden (ca. 375 mill. år siden), en periode med innsynkning av sentrale deler på Spitsbergen. Mektige sedimentlag på flere tusen meter ble avsatt. Dette skjedde i et tørt klima, dels på land og dels i fersk- og brakkvann. De eldste fiskefossilene av pansret urfisk finnes i disse bergartene sammen med fossiler av primitive planter. 

Karbonperioden var fuktig med avsetning av sedimenter i grunne havområder og på lave sletteland. Sand, leire og planterester fra sumpområder ga opphav til sandstein, skifer og kullag. Landområdene ble oversvømt av havet for 300 millioner år siden, og vi fikk avsatt kalkstein, dolomitt og lag av anhydritt og gips. Vi finner lag som er rike på sjøfossiler fra slutten av permtiden (250 mill. år siden). 

I tidligere tider lå Svalbard langt nærmere ekvator enn det gjør i dag. I trias-, jura- og krittperioden (250-65 mill. år siden) beveget Svalbard seg fra 50° til 70° N. På den tiden var klimaet temperert og fuktig. Fra denne perioden finner vi vekslende hav- og landavsetninger som inneholder rikelig med sjøfossiler. Vulkansk aktivitet førte til inntrengning av smelte (doleritt) flere steder i lagrekken. 

I tertiærtiden (65 – 2 mill. år siden) var det sterke bevegelser i jordskorpen som førte til folding og fjellkjededannelse. I denne perioden oppstod også store sumpområder i de sentrale delene av Svalbard. Disse sumpene har gitt opphav til de mektige kullagene i Longyearbyen, Sveagruva og Barentsburg. 

I de siste to millioner år er det vulkanisme og istider som har preget geologien. Spor etter vulkanutbrudd for 70.000 år siden og varme kilder som fremdeles er aktive vitner om denne aktiviteten. Kilometervis med bergarter er mange steder slitt vekk av de siste istidene og langsomt har landskapet slik vi kjenner i dag blitt modellert ut av bergartene. 

For mange millioner år siden ble i lange perioder døde planter og dyr på Svalbard begravet i sand og slam før de gikk i oppløsning. Vekten av avleiringene over førte til høyt trykk og temperaturen steg. Dyre- og planterestene ble i løpet av millioner av år omdannet til kull, olje og gass. Torvmyrer ble presset sammen og forkullet. De ble til ”fossil solenergi” – fanget inn gjennom fotosyntese, og bevart til vår tid. Slike prosesser pågår enda. Men siden det skjer så langsomt, kaller vi kull, olje og gass for ”ikke fornybare energiressurser”. Isen har senere slitt vekk de overliggende lagene og kullagene ligger nå nær overflaten. Noen steder finner vi dem helt oppe i dagen.