近现代石油勘探始于19世纪中叶。早期多依赖于油苗、地面地质调查和钻探等手段寻找石油，地球物理勘探方法直到20世纪才被引入石油勘探。重力、磁法、电法（电磁法）、地震等勘探方法的出现，使在覆盖区查明地下地质构造并以此为基础寻找圈闭和油气藏成为可能，从地面发展到地下，从地表、浅层发展到深层，显著拓展了找油范围。
最早引入石油勘探的地球物理方法是重力勘探法。针对重力现象的研究起源于伽利略时代。意大利天文学家和物理学家伽利略是欧洲近代自然科学的创始人，不但对重力与自由落体进行了研究，而且对天文学、现代物理学、实验科学等自然科学做出了重大贡献，被誉为“观测天文学之父、现代物理学之父、科学方法之父、现代科学之父”。后人为了纪念他，特意把重力加速度的原始单位定为“伽”（cm/s2）。17世纪，牛顿用著名的万有引力定律把引力概念定量化，现今几乎所有的关于地球重力的现代分析方法都来源于牛顿和其他17—18世纪的著名科学家们，如法国数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯（Pierre－SimonLaplace，1749—1827）、西莫恩·德尼·泊松（Simeon－DenisPoisson，1781—1840）、阿德利昂·玛利·埃·勒让德（AdrienMarieLegendre，1752—1833）、亚历克西斯·克劳德·克莱罗（Clairaut，Alexis－Claude，1713—1765）等人在该定律的基础上创立的经典场论。
早期用于地球重力异常测量的仪器是扭秤。1922年，首次成功应用扭秤在墨西哥湾沿岸探测到和盐丘构造有关的油藏，使扭秤成为最早应用于石油勘探的地球物理探测仪器，但由于这种仪器在每个测点上测量一次要花费大约五个小时，导致重力勘探的效率很低。1934年，美国地球物理学家卢西恩·拉科斯特（LucienJ．B．Lacoste，1908—1995）发明了金属弹簧重力仪，美国地球物理学家萨姆·沃尔登（SamP．Worden）发明了石英弹簧重力仪。由于这类重力仪相比扭秤使重力测量精度得到了显著提高，且一个测点的平均观测时间可以缩短到10～30分钟，到20世纪30年代末已完全取代了扭秤而得到大规模应用，标志着重力勘探走向了实用化。
磁法勘探技术早在16世纪40年代就被用于铁矿矿床的定位。1879年，瑞典人塔伦（RobertThalen，1827—1905）与铁贝尔（Tiberg）发明了一种被称为“塔伦—铁贝尔（Thalen－Tiberg）”的磁强计（早期的磁力仪），并用于在野外寻找磁铁矿，使磁法勘探技术走向实用化。1915年，德国地球物理学家阿道夫·施密特（AdolfSchmidt）制成石英刃口式磁力仪，大大提高了磁测精度。磁法勘探不仅被用于寻找铁矿，而且还用来研究地质构造、寻找盐丘和油气田。1936年，苏联地球物理学家罗加乔夫（A．A．Rogachev）研制了感应式航空磁力仪，将磁力仪与高机动性的航空器结合起来，显著扩展了磁法勘探的应用范围并提高了勘探效率。
历史上关于电法勘探和电磁法勘探方法的研究是从19世纪初开始的。英国科学家罗伯特·福克斯（RobertWereFox，1789—1877）从1815年开始对英国康沃尔（Cornwall）郡科尼什矿山（Cornishmines）进行了长达40年的观测，观测到了由矿体产生的自然电位，并测量了某些矿物和围岩的电阻率。1830年，福克斯经过长期研究提出了自然电场勘探方法，并利用该方法于1835年发现了第一个硫化金属矿，从而奠定了电法勘探的基础。20世纪初，法国康拉德·斯伦贝谢（ConradSchlumberger，1878—1936）和马塞尔·斯伦贝谢（MarcelSchlumberger，1884—1953）兄弟首先研究和试验了电阻率测量方法。他们将家中浴室当成实验室，在一个铜质浴缸中装满沙土，插入几根螺栓作为电极并接入电流，然后观测电阻率的变化。利用这种方法，他们正确找到了埋在沙土中的金属硬币。1912年，他们在法国诺曼底（Normandy）半岛上进行了电阻率野外测量，绘制出了世界上第一张等电位图。此后，他们还在一座铁矿上验证了这一方法并取得了成功，可以清楚地测定矿体的范围。1923—1926年间，斯伦贝谢兄弟在多年试验和实践的基础上发明了电阻率测井和自然电位测井方法，完善了电法勘探的工艺，最终于1926年正式创办了斯伦贝谢电法勘探公司（SocietedeProspectionElectriqueSchlumberger），即如今大名鼎鼎的国际油气田服务业巨头斯伦贝谢公司（SLB）的前身。
20世纪上半叶，随着电法勘探测量仪器不断更新和方法理论不断完善，电法勘探技术得到了快速发展，并逐渐衍生出多种分支方法，如交流电法（1900年）、激发极化法（1912年）、电磁感应法（1917）、瞬变电磁法（1933年）、大地电流法（1934年）、大地电磁法（1950年）等。在此期间，除斯伦贝谢公司大力开展电法勘探外，1924年苏联也组建了电法勘探队并用于石油勘探。在众多科学家的努力下，至20世纪40年代，电法勘探已得到普及，被广泛应用于金属矿和石油勘探。
地震勘探技术发端于19世纪中叶。爱尔兰地球物理学家罗伯特·马利特（RobertMallet，1810—1881）于1845年利用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳中的传播速度这一事件标志着地震勘探方法的萌芽。1913年，德国地球物理学家卢杰·明特罗普（LudgerMintrop，1880—1956）及其合作者麦卡伦姆（BurtonMcCollum，1880—1964）、约翰·克拉伦斯·卡彻尔（JohnClarenceKarcher，1894—1978）等人研制了一套利用火炮发射时因反冲力而产生的地震波确定炮群位置的方法和仪器，通过接收火炮发射后后坐力产生的地震波，并根据地震波的到达时来确定火炮位置。这是人类历史上首次将地震波与人类的生产、生活挂钩。
第一次世界大战结束后，发明了利用地震波确定火炮位置的方法和仪器的明特罗普，将他的技术应用到地下地质构造探测中，根据记录到的地震波信息，计算出地震波在地层中的传播速度和穿透深度。1919年，明特罗普在德国申请了折射波法地震勘探专利。同年，他和丹麦地震学家英格·莱曼（IngeLehmann，1888—1993）一起改进了他所发明的地震仪并进行了煤层深度测量试验。1920年10月，他在德国汉堡附近一口气井中做了折射波法测量。1921年4月，明特罗普在德国成立了一家名为塞斯莫斯（SEISMOS）的地震勘探公司，从此地震勘探正式开始工业化应用。同年6月，塞斯莫斯公司为海湾石油公司［GulfPetroleumCompany，1984年并入雪佛龙（Chevron）公司］提供服务，在美国得克萨斯州奥查德地区发现了一个盐丘，并于1926年钻探见油，发现井井深1150米，日产油400吨。这是世界上第一个通过地震勘探发现的油田，从此开创了利用地震勘探技术寻找石油的先河，明特罗普也被认为是利用折射波法地震勘探方法进行石油勘探的第一人。截至1930年，塞斯莫斯公司在墨西哥湾沿岸地区先后为9家石油公司服务，共找到了22个盐丘构造。除明特罗普外，苏联地球物理学家甘布尔采夫（1903—1955）等人对折射波法地震勘探技术的发展和成熟也做出了贡献。
甘布尔采夫吸收了反射波法的优点对折射波法做了相应的改进，使之不但能记录最先到达的直达波，而且还可记录后到的折射波。反射波法比折射波法地震勘探技术的出现要稍晚一些。在折射波法地震勘探技术逐渐发展与成熟的同时，美国地球物理学家卡彻尔等人于1921年在美国俄克拉何马州开展了反射波法地震勘探野外试验，利用炸药震源和他们所研制的仪器首次清晰地记录到了人工地震产生的反射波，获得了世界上第一个反射地震剖面，首次证明了地震反射波可以被用于对地球内部进行精确成像。
1926年，卡彻尔等人在美国成立了地质工程公司（GeologicalEngineeringCompany），利用他们生产的反射波地震仪样机对已知的田纳西盐丘穹隆进行了试验性探测，取得了良好效果。1928年，卡彻尔等人成功研制了全套反射波法地震勘探装备，建立了世界上第一支反射波法地震勘探队，在美国开始了反射波法地震勘探的商业化应用。1929年，卡彻尔申请了有关反射波法地震勘探的专利。1930年，卡彻尔等人又成立了著名的GSI（GeophysicalServiceInc．）地球物理服务公司，在俄克拉何马州塞米诺尔（Seminole）县使用反射波法地震勘探技术发现了三个油气田，从此确立了该方法作为最有效和最实用的石油勘探方法的地位。尽管原有的折射波法地震勘探技术仍然可有效地寻找盐丘，但反射波法地震勘探技术对复杂地质结构的探测更加精确，使地震勘探进入了快速推广应用阶段，一些大名鼎鼎的国际地球物理服务公司，如法国地球物理公司（CGG）、西方地球物理公司（WesternGeophysical）都是在那时候成立的。截至1937年底，美国已有250个地震勘探队，使地震勘探全面进入大规模工业化应用阶段。
与西方国家相比，中国正式开展地球物理勘探技术研究的起步时间要晚近半个世纪。根据有关史料，最早将现代地球物理方法引入中国的时间可追溯至1939年。是年，中国著名地球物理学家翁文波（1912—1994）从英国伦敦大学帝国理工学院获得博士学位回国后，在中央大学（现南京大学）物理系任教，首次在中国开设地球物理勘探课程，为中国培养了一批地球物理勘探人才。在这一时期，翁文波边授课边研制重力探矿仪、电法勘探仪等地球物理勘探仪器，并在位于四川盆地东南部的石油沟（现属重庆市巴南区）的巴1井进行电阻率测井实验并获得了成功。此后，他还数次组织师生到玉门油矿开展重力、磁力等勘探方法试验，并提出了用地球物理方法探测玉门油矿的计划。1942年1月，在极其艰苦的条件下，翁文波、赵仁寿等人利用自制的电法、磁法勘探仪器在位于甘肃玉门的石油河、干油泉等地进行了野外试验，开创了中国地球物理勘探的先河。
中国第一个正式的地球物理勘探队于1945年9月由翁文波牵头在玉门油矿组建，当时称重力勘探队，但同时开展重力和磁力探测。翁文波带领丛范滋、李德生、汤任先、任永堂等20多名队员在东起张掖、高台、酒泉，西至玉门、安西、敦煌等地区进行重力和磁力普查，并沿线观察地质露头。1946年3月，他们绘制了河西走廊十万分之一的地质和重力综合图。6月，翁文波在上海又组建了两个重力勘探队，先在江苏南部的太湖一带开展勘探，后于1950年5月赴陕西延长一带开展地质普查。
中国第一个地震队自1949年起开始筹备，1951年3月在江苏省江阴县（今江阴市）正式成立。期间，对购自美国的24道光点地震仪进行了调试并开展野外试验。1951年9月，该地震队从上海开赴陕北四郎庙地区开展黄土塬地震勘探试验，1952年春开赴甘肃酒泉盆地青草湾一带开展勘探。
与此同时，西北石油管理局勘探处筹建了第二地震队，先在陕西延长胡家村一带施工，夏季后转赴位于甘肃酒泉的大红圈和文殊山施工。1952年末又成立了第三和第四地震队，分别在位于甘肃和宁夏两省交界处的潮水盆地窖水一带和甘肃酒泉盆地老君庙附近施工。此外，中国和苏联联合设立的中苏石油股份公司于1952年在新疆建立了地质调查处，在其下成立了两个重力队、两个磁力队、一个电法队和一个地震队，分别在北疆的呼图壁地区和乌苏—独山子地区、南疆的巴楚—喀什地区和英吉沙地区施工。
20世纪50年代以前，受多种因素影响，中国的石油工业非常落后。1950年，中国仅有甘肃老君庙、陕北延长和新疆独山子三个小油田，以及四川自流井、圣灯山和石油沟等几个小气田，年产量最高仅为30万吨。上述重力、磁力、电法、地震等勘探队伍的建立，为中国西北地区的大规模石油勘探打下了基础。1952年，利用从苏联和匈牙利进口的新型重力仪、51型地震仪和钻井设备，在玉门油田先后发现了石油沟油田、白杨河油田和鸭儿峡油田。1955年，在新疆准噶尔盆地西北缘开展了重力、磁力、电法和地震勘探，获得了一批地球物理勘探资料。首先根据这些地球物理资料发现了黑油山潜伏构造，确定了黑油山1号井，并于1955年10月29日钻遇工业油流；此后在该地区进一步开展加密式重力勘探及电法勘探，发现了克—乌断裂带及断裂带附近所发育的五个鼻状构造。1958年，基于重磁电勘探资料在柴达木盆地发现了冷湖构造带，在四川盆地发现了南充、桂花等7个油田。到1959年，全国原油产量达到373万吨、天然气产量2．5亿立方米。
在重点开展西部勘探的同时，从1955年起实施石油勘探战略东移，在松辽盆地和渤海湾盆地全面开展综合地质调查。由于现今渤海湾盆地和松辽盆地的主体为华北平原和东北平原，沃野千里、一马平川，地面上几乎看不到地质露头，也很少能够发现油气苗，故地球物理勘探方法在油气地质调查中占有绝对主导地位。1956—1957年间，在松辽盆地开展了大规模的地面重力和航空磁法勘探，完成了横贯全盆地的3条电法测深大剖面，并进行了少量的二维地震勘探和钻探，初步证实松辽盆地是一个大型的中新生代沉积盆地，同时发现盆地中央存在一个大型的背斜构造带，即著名的大庆长垣背斜构造带。1958年9月，在根据电法勘探异常所发现的高台子背斜构造的隆起部位上，初步拟定了松基三井的井位。之后又根据新测的二维地震资料绘制的高台子构造图对拟定井位进行了微调，最终确定将松基三井部署在高台子镇永跃村（今属黑龙江省大庆市大同区）旁，并于1959年4月11日正式开钻。9月26日，松基三井喷出油流，标志着大庆油田被正式发现。大庆油田是中国石油勘探史上第一个成功利用地球物理勘探方法发现的特大型油田，地球物理技术为大庆油田的发现立下了汗马功劳。
在大庆油田勘探成功后，石油勘探队伍挥师南下，依据同样的勘探思路在渤海湾盆地开展勘探。1961年，基于地球物理勘探资料所确定的华八井获得日产8．1吨的工业油流，开启了华北地区大规模石油勘探会战的序幕。华八井是整个华北平原的第一口发现井，标志着渤海湾盆地石油勘探的大突破，为20世纪60—70年代中国东部各大油田如胜利、华北、大港、冀东、南阳、中原等大油田的发现奠定了基础，使中国的石油产量得以迅速增长。
在20世纪60—80年代中期基于地球物理勘探技术所实现的一系列找油大突破、大发现之后，中国的原油产量迅速增长。1963年全国原油产量达到648万吨，1978年达到1．04亿吨（其中大庆油田突破5000万吨），1985年达到1．25亿吨。
20世纪80年代，由于地理条件好且易勘探的大油田已基本发现殆尽，中国的石油新增储量增长缓慢，再加上老油田逐步进入衰退期，石油勘探遭遇了严重的瓶颈期。为此，国家提出了“稳定东部、发展西部、油气并举、大力发展海洋勘探”的新思路，在利用三维地震勘探技术在东部地区继续开展勘探的同时，重点加强了西部地区特别是塔里木、准噶尔、吐哈、柴达木、鄂尔多斯和四川等盆地的石油勘探工作。经过30多年的艰苦努力，在以上盆地中发现了一大批新油田，保证了原油年产量的稳步增长。在大力开展陆上石油勘探的同时，在海洋石油勘探和天然气勘探方面也取得了重大进展。在海洋石油勘探方面，20世纪80年代初至90年代末，相继发现了位于渤海湾盆地的蓬莱19－3、绥中36－1、秦皇岛32－6、渤中25－1、金县1－1、锦州25－1，位于南海的涠洲11－4、崖城13－1等海上油气田；在天然气勘探方面，虽然起步较晚，但成果斐然，在鄂尔多斯盆地靖边、苏里格，在塔里木盆地塔中、轮南、克拉2，在四川盆地大川中、普光、广安、大天池、合川等地区发现了一大批陆上天然气田，初步实现了“油气并举”的目标。
21世纪以来，世界范围内的多数主力油气田已进入成熟期和衰退期，而新的勘探目标区正变得更加复杂，目标层系越来越深，在陆地上发现大油气田的难度越来越大，常规油气发现有日益下降的趋势，高陡构造、复杂构造、岩性圈闭、致密性、深层与超深层等地质条件对地球物理勘探技术提出了更高的要求。此外，降低勘探成本、提高勘探效益也成为迫切要求。针对以上难题，中国的地球物理勘探工作者在继续发展常规地球物理勘探技术的同时，还创新提出了划时代的时频电磁勘探技术、多波多分量地震勘探技术和“两宽一高”地震勘探技术，实现了陆海油气勘探技术的升级换代，油气勘探成效得到显著提高，新发现了一批油气田，使石油天然气年产量达到并保持在2亿吨左右，有效支撑了中国石油工业的高质量发展。
自1919年明特罗普申请地震折射波法专利、1921年卡彻尔等人开展反射波法地震勘探现场试验、1922年首次成功应用重力勘探技术在墨西哥湾沿岸探测到和盐丘构造有关的油藏以来，地球物理勘探技术被引入石油勘探已过去了一百年。一个世纪来，世界80％以上的油气田、中国90％以上的油气田都是通过地球物理勘探发现的，彰显了地球物理勘探的巨大威力和历史性成就。