המכון למדעי כדור הארץ ממוקם בקמפוס ספרא שבגבעת רם והוא אחד ממכוני הפקולטה למדעי הטבע. המחקרים במכון מיישמים שיטות מודרניות במדעי הטבע השונים להבנת התפתחותו ודרך פעולתו של כדור הארץ. חוקרי המכון עוסקים במגוון רחב של נושאים: החל בהיווצרות יבשות והרים, מחזור החמצן הגלובלי והתפתחות הוריקנים ושטפונות, וכלה במנגנון יצירת השלד הגירי של אלמוג, תנועת מזהמים במי תהום ובאטמוספירה, היווצרות טיפות גשם בענן, השלבים הראשונים של התפתחות סדקים בסלע לפני רעידת אדמה או של בועת גז במאגמה לפני התפרצות וולקנית. סלעי ישראל, מפרץ אילת, הים התיכון, הכנרת, ים המלח והאטמוספירה של המזרח התיכון מהווים מעבדת שטח למחקר התשתית הטבעית של מדינת ישראל. חוקרי המכון נוטלים חלק פעיל בפיתוח התשתית תוך שימת דגש על הבנת השפעות הגומלין בין האדם וסביבתו.
המכון מצוייד היטב למחקר נסיוני ותיאורטי במדעי כדור הארץ. מכשור חדש במעבדות מאפשר חקירה של הגיאוכימיה של מי מעיינות, תנועת מים בתת הקרקע, אקלים העבר על סמך הגיאוכימיה של משקעי ים המלח, מקורות אירוסולים שמגיעים לישראל, יצירת יהלומים במעטפת כדור הארץ ונושאים רבים נוספים. תחנה לתקשורת לווינית על גג המכון מאפשרת קבלת נתוני לווין ומכ"ם המשמשים למשל בחקר השפעת אבק מדברי ומזהמים על יצירת גשם בעננים. חיבור ישיר ליחידת החישוב הבין אוניברסיטאית ומערך חישוב מתקדם במכון מאפשרים סימולציות של תהליכים אטמוספרים, הידרולוגים וגיאולוגים שונים. האוניברסיטה העברית מנהלת את המכון הבין אוניברסיטאי שבשמורת חוף אלמוג באילת. חוקרי המכון עובדים במעבדות המכון הבין אוניברסיטאי ותלמידי מחקר רבים עוסקים בחקר השונית ובנייתה, התפתחותה והשפעת זמינות מקורות מזון במפרץ אילת על מצבה כיום ויחסה לטקטוניקה של מפרץ אילת. הקשר ההדוק בין המכון למדעי כדור הארץ והמכון הגיאולוגי של משרד התשתיות הלאומיות הממוקם אף הוא בירושלים מאפשר גישה לציוד רב נוסף במעבדות המכון הגיאולוגי ולעבודות משותפות במעבדה הטבעית - השטח.
המכון החל את דרכו בשנות ה-50 ובוגריו, מוסמכיו ותלמידי המחקר שהעמיד בחמישים שנותיו יצרו את עיקר הידע הגיאולוגי ההידרולוגי והמטאורולוגי על ארץ ישראל. בשנת 1978 יוסד המכון במתכונתו הנוכחית תוך שילוב המחלקות לגיאולוגיה, גיאוגרפיה פיסית, ומדעי האטמוספירה שפעלו במסגרתו למכון אחד שמדגיש את הקשר בין התחומים השונים. תוכנית הלימודים היא מכונית משותפת בשנה הראשונה ונפרדת לתוכניות בגיאולוגיה או במדעי האטמוספירה לבוגר או מוסמך ובאוקיאנוגרפיה (חטיבה לבוגר ומוסמך). בשנת 1991 לקח המכון חלק מרכזי בהקמת התוכנית ללימודי סביבה במסגרתה שותפים חוקרים מהמכון למדעי כדור הארץ, מדעי החיים, כימיה וגיאוגרפיה. האופי האינטרדיסציפלינרי של המחקר מאפשר שילוב נוח של סטודנטים בעלי רקע במדעים המדוייקים, מדעי הטבע והחקלאות בלימודים מתקדמים במכון.
