对地震和穿过地球的波的传播特征的科学研究。在野外还包括地震效果的研究，比如海啸、各种不同的地震源，例如火山、构造运动、海洋的和大气圈的以及人造地震（如爆炸引起的地震）等。
在早期的石油勘探中，勘探人员只能对可以从地表看到的地质构造进行钻探，一般是背斜和地层上拱形成的凸起等。但人们很快就认识到这种做法效果不佳，因为许多构造被沉积岩层覆盖，在其下面才是由地壳运动形成的圈闭。此外，若这些圈闭恰好位于海底，则人们也完全无法用肉眼看到。勘探人员研发出地震反射方法，而它的原理就是由爆炸或用一个重物向下撞击地面而产生的非常简单的地震波。
地震勘探法示意图
这些震动从各个方向向地层深处传送地震波。当这些波遇到一个地质层系时，就会被反射回地表（就像光射到镜面发生反射一样），而其他声波则会继续向下传播直到更深处的岩层，如此反复多次发生。人们在距这种波发生的一定距离处安置极为灵敏的接收器（地质检波器），就可以接收并记录下一系列复杂的地震反射波。最先到达的是那些沿着地表运动的波，然后是被第一套地质层系反射的波，接着是第二套地质层系反射的波，以此类推。在这种方式中，可以记录从发射器发出后经地质层系反射后到达接收器的时间。
通过对比改变发射器与接收器的位置，就可以描绘出一幅按时间和二维（2D）空间构成的基底地质层系图像，然后，再计算出不同地质层系的波的传播速度，这样就可以得到一幅地层深部的岩石层系图像，而这正是地质学家和钻井工程师最为感兴趣的。根据这些图像，绘制出更加详细的地层剖面图。利用这种以时间和深度表示的一系列完整的二维图像，绘制出地下岩层的地质图并用于评价油气圈闭。为了获得更为精确和更加可靠的地下岩层图像，人们应用三维地震技术，它比二维地震的投资更为昂贵，但却更加精确有效。通常，人们可以从三维地震图上直接识别出地质层系中的油气层。为了获得地层体积（三维空间）的图像，需将接收器成排安置。不久将会出现的四维（4D）地震技术，可以使勘探工作进入四维空间——包含了时间的范畴。在油气勘探开发的实践中，三维地震技术采用规律的时间间隔，屡获建树。通过对比这些三维地震记录，人们可以对一个油田的生产阶段进行跟踪评价。在海上勘探中，三维地震记录是由轮船拖曳的一系列接收器（检波器）完成的。海上地震勘探要比陆地上的容易，因为，那里没有会使发射器和地震波接收器发生位移的自然障碍物。
如果石油在地下像巨大的湖泊一样存在，那么开采就是一件十分简单的事情。但是，实际情况却要复杂得多。油气隐藏在多孔的岩石内，就像水吸附在海绵中一样，它们在岩石内呈分散状，并可迅速流过较大的区域，致使它们难以被发现且难以开采。地震勘探已成为了解地下情况最强有力的技术手段。地震勘探最早于20世纪20年代投入使用，这项技术利用地下岩层反射到地表的声波可以看清地下的特征。用多个检波器收集反射到地表的声波，所记录的数据有助于建立简单的二维地质图像。现在，综合测量技术与强大的计算机结合起来，可以创立高精度的三维图像，并且用来更详细地揭示地下储层的特征。先进的成像软件可以帮助地球物理学家控制地震数据的质量，并过滤掉由地下盐岩和火山岩等层系构成的阻碍物引起的干扰。这些阻碍物影响根据反射声波的方向和速度而对地下油层的精确确定。很不幸，地震成像还不很成熟，而且从未达到100%的可信度，在数据记录阶段可能出现错误。在山区或热带森林内（在这些地区的工作进度会减慢）就很难获得地震数据。此外，具有致密与松软差异表层的陆地区域也会导致地震反射波发生改变，而且往往难以对折返时间进行校正。在深部剖面上，也可能获得地震图像，但它们并不能反映真实的地下情况（呈“伪像”），就像海市蜃楼一样。