天然电磁场的最大特点是频谱宽广。业界通常按习惯将其分为三部分：低频电磁场（0．0001～10赫兹）、音频电磁场（10～20000赫兹）和高频电磁场（30000～500000赫兹）。地球的天然电磁场既与地核有关，也与太阳风、磁暴、闪电、雷电等自然现象有关。前者产生的地核电磁场以电磁波辐射方式从下向上穿透地壳到达地表的过程中，要穿过数量众多、不同类型的地层，各地层对入射电磁波会产生一定的反射、折射、散射、吸收等作用，大部分电磁波的频率与能量都发生了变化，即产生了电磁异常。也就是说，电磁异常与对应的地下各深度地层的岩性、物性、磁性、电磁波吸收性等特征有关。后者产生的外源感应电磁场则与地层中的磁性物质含量有关，磁性物质含量高则电磁异常大，否则电磁异常小或没有异常。利用这些电磁异常可对地球进行探测。天然源电磁勘探是最基本、最原始的电磁勘探方法，最早由苏联数学与地球物理学家安德列·尼古拉耶维奇·吉洪诺夫（1906—1993）和法国科学家路易斯·卡格尼亚德（LouisCagniard，1900—1971）于20世纪50年代初分别提出。该方法将地核产生的大地电磁场及受太阳风、磁暴、雷电等天文现象所引起的、由太空向地球垂直入射的平面电磁波作为勘探对象，并以此为基础研究地下的电性结构。
天然源电磁勘探的理论基础是不同频率的电磁波的穿透能力不同。当地核电磁波从地核向地面传播或交变电磁场从地面向地下传播时，其高频部分衰减快，穿透能力弱，传播距离近；而低频部分衰减慢，穿透能力强，传播距离远，基于这一性质可利用电磁场的不同频率成分来实现地层测深的目的。当探测深度为100～200米时，可通过接收10～10000赫兹的电磁异常来实现，当探测更大深度的地层时，可将接收频率降低到0．0001～0．1赫兹。因此，天然源电磁勘探实质上是通过观测不同频率的交变电磁场来获得地层的视电阻率测量方法。天然源电磁勘探的代表方法是大地电磁测深和音频大地电磁测深。大地电磁测深方法以大地电磁场的低频部分为对象进行地球探测。选择合适的频段可以探测到地下数千米深的电磁场强度和方向的变化，甚至可达到几十千米乃至上百千米深的上地幔，这是其他地球物理方法难以实现的，为研究地球深部构造提供了一种有力的工具。音频大地电磁测深方法利用雷电作用产生的音频大地电磁场作为场源，其工作频率较高，探测深度适合于石油天然气等资源勘查。
天然源电磁勘探要求对电场和磁场同时进行观测。在野外观测时，在每个测点上可同时测量3个磁场分量（Hx、Hy、Hz）和2个电场分量（Ex、Ey）。由于天然源电磁场存在随机性强、信号弱等弱点，为了获得稳定的多频段地下电磁异常信息，通常需要在一个测点上连续观测几个小时甚至十几个小时。当获得多个磁场分量和电场分量后，可根据电磁波传播机理采用反演方法获得不同频率的电阻率值，然后再据此推断出地下的地质特征。
天然源电磁勘探具有观测频带宽、无近场效应等特点，有效探测深度可达几米、数千米甚至数百千米，且不受高阻层屏蔽，对高导层分辨能力强。此外，天然源电磁勘探可采用横电波（TM，垂直于传播方向的电场分量）、横磁波（TE，垂直于传播方向的磁场分量）两种极化模式进行观测，基于所获得的视电阻率、极化率等信息可对地下地质特征进行成像。