地球周围空间存在着磁场，称为地磁场(图1-12)。地磁场近似于磁偶极子的磁场，它有两个磁极，磁北极为磁偶极子的S极，磁南极为磁偶极子的N极。磁南、北极与地理两极的位置相近，但并不重合，而且地磁极位置仍在不停地移动变化着。目前地磁极与地理南北极的夹角为11°44′。
图1-12 地球的磁场
(据W.K.汉布林，1980)
图1-13 地磁要素示意图
(据P.J.怀利，1980)
由于磁南北极和地理南北极有一个交角，因此磁子午线与地理子午线之间也存在一个夹角称为磁偏角(D)。磁偏角位于地理子午线以东称东偏；磁偏角位于地理子午线以西称西偏。在实际工作中以罗盘指针与地理子午线的夹角作为磁偏角，因此必须根据所在地理位置校正罗盘的刻度盘。地球表面的磁力线与水平面也存在一定的交角，称为磁倾角(I)。磁倾角的大小因地而异，在赤道为0°，向南北两极逐渐增大，在磁南北极为90°，此时罗盘的磁针就会竖起来。因此罗盘必须因地而制加以校正。地磁场以代号F 表示，强度单位为A/m。地磁场强度是一个矢量，可以分解为水平分量H和垂直分量Z。地磁场的状态则用磁场强度F、磁偏角D、磁倾角I这三个地磁要素来确定(图1-13)。
实际观测发现，地磁场随时间的变化有日变化、年变化、长期性变化和突然性变化。日变化的磁偏角变化幅度为几分；年变化可能与电离层及太阳活动的变化有关；突然性的变化表现为几天或几小时内磁场强度的大幅度变化(可达几个安培/米)，这种突然性变化称为磁暴，它与太阳黑子、空间电流等现象有关。如果把短期变化、磁暴等的影响清除，便可恢复地磁场的原来面貌。
通过设在各地的地磁台所测的地磁要素数据，经校正并消除了地磁的短期和局部变化等的影响，便得到地磁场的“正常值”或称背景值。如果在实际测定时，发现所测的地磁要素数值与“正常值”偏离。称为地磁异常。地磁异常是地壳中具磁性的矿物和岩石所引起的局部磁场叠加在正常磁场上的表现。利用岩石或矿物的磁性，来寻找具磁性的矿床和了解深部地质构造情况是地球物理勘测的有效方法之一，称为磁法勘探。这一方法不仅用于地面，还可用于飞机、卫星上。
地磁场的存在，会导致岩石在其形成过程中发生磁化，这些受磁化的岩石在磁场发生改变后，仍可将原来磁化的性质部分地保留下来，形成所谓“剩余磁性”。测量岩石中的剩余磁性有助于了解地质历史时期的地磁场情况。依据岩石剩余磁性来研究地史时期地磁场的状态、磁极变化的学科称为古地磁学。大量的研究发现，在地史时期特别是中生代以来，地磁场曾经发生过许多次重大的改变，甚至地磁场方向(极性)曾发生过多次的倒转(即反向的磁场方向和正向磁场方向刚好相差180°左右)。它对于地学研究有着重要的理论意义和实践意义。