古代对自然地理要素的认识
早在公元前3000年以前，古埃及人就开始观测尼罗河水位的变化。公元前5世纪，古希腊希罗多德在《历史》(又称《希腊波斯战争史》)一书中叙述了尼罗河夏季洪水的动态规律，并且指出河口三角洲是由河流带来的泥沙堆积而成。在中国，公元前13世纪殷代甲骨文中已有关于天气情况的记载，包括降水、风、云雾、雷鸣电闪等许多方面，有雨、雪、雹、霜等分类，对雨水还有具体分析。春秋中期成书的《诗经》记述了数十种地貌形态。战国时期成书的《尚书·禹贡》依据名山大川的自然分界将当时的疆域分为九州，并就山川、湖泽、土壤、植被等对各州进行区域比较。《管子·地员》篇是首创土地分类的著作，综合当时关于地貌、土壤和植被的知识，较为系统和详细地把土地分为5大类和数十个小类，并记录了山地植被的垂直分布。
从自然地理要素到自然地理环境
19世纪初期，德国地理学家洪堡把自然地理环境看成一个整体。根据实地考察，他对不同区域、不同地理环境进行比较研究，认为地球表面各种自然地理现象之间存在着因果上和区域上的联系。根据对大量实地考察资料的分析，他论证了植物的水平分布和垂直分布与气候的关系；首创了世界等温线图，研究了气候的形成和分布规律。这些研究成为近代气候学研究的开端。
洪堡的贡献为自然地理学成为一门独立的分支学科奠定了基础。从此，自然地理学由单一的、表象的、静态的自然地理要素和现象的研究走向把自然地理环境作为一个整体进行综合的、内在的和动态的研究。