Генетический подход к изучению почв и минералов, вообще к исследованию природы привел Вернадского к геохимии, которая в начале XX века не имела единой концепции. Вернадский не только выявил закономерности концентрации и рассеяния химических элементов в формировании Земли и ее оболочек (т. е. создал концепцию геохимии), но и наполнил отдельные разделы этой науки конкретным научным содержанием, много сделал для развития прикладных направлений геохимии.
Представления о формах движения материи впервые были разработаны Фридрихом Энгельсом. Основываясь на них, Вернадский представляет миграцию атомов химических элементов как одну из форм движения материи, развивая тем самым естественнонаучные работы Ф. Энгельса. (От знания этих форм наука наших дней перешла к типам миграции химических элементов).
Представление о геохимии как науке об истории земных атомов возникло у Вернадского на фоне новой атомистики, новой химии и физики в тесной связи с тем представлением о минералогии, которое проводилось в Московском университете в 1890—1911 гг. Главная установленная им особенность методологии геохимии — изучение геологических процессов на атомарном уровне. Вернадский теоретически обосновал геохимическую классификацию химических элементов, ввел понятие геохимического цикла, выделил в земной коре термодинамические области, характеризуемые определенными парагенезисами химических элементов. Доказывая химическое единство мира, он увидел в изучении земных атомов путь к познанию Космоса и выдвинул идею о материальном обмене и энергетическом взаимодействии между нашей планетой и Космосом, чем способствовал развитию нового научного направления — метеоритики. В июне 1917 г. Вернадский в письме к жене пишет: «Странно как-то себя и весь ход человеческой истории, со всеми ее трагедиями и личными переживаниями, осмотреть с точки зрения бесстрастного химического процесса природы».
В 1924 г. во Франции вышел его труд «Геохимия». В письме А. Е. Крымскому Вернадский писал: «Эта работа связана с Академией, потому что начал я ее организовывать в Киеве и мечтал, что закончу в Украинской Академии наук. Случилось иначе».
Одна из центральных проблем геохимии — характер и особенности химических реакций в биосфере, химическое ее равновесие. В ряде работ Вернадский излагает идеи о геохимических круговых процессах первого и второго порядков, об их энергии, проявлении свойств химических элементов, пытается найти специфические особенности реакций в различных областях земной коры.
Обобщая данные о деятельности организмов и геохимические изыскания, Вернадский с геохимических позиций выявляет функциональную роль живого вещества как геологическую силу планетарного масштаба, закладывая этим основы биогеохимии. Биолог изучает конкретное проявление жизни, организм или вид; биогеохимик изучает всю совокупность живых организмов, — использование жизни, как отличительного признака изучаемых в биосфере явлений придало геохимии совершенно особый характер. Биологические исследования не могут ограничиваться изучением одного организма, организм нераздельно связан с земной корой и должен изучаться в тесной связи с ее исследованием. В биогенном потоке атомов, движущей силой которого является космическая энергия, проявляется и космическое значение живого вещества. Аккумулирование космической энергии живым веществом, распределение ее в биогеохимических циклах определяет и способность биосферы концентрировать эту энергию. Содержание в организме химических элементов для каждого организма есть видовой признак. Ученый ощущает недостаток научных данных: «Наше познание химического состава живой материи отстало от познания химического состава других... естественных тел, по крайней мере, на столетие». Поэтому Вернадский организовывает исследования элементного состава организмов, принадлежащих к различным таксонам, при этом разрабатывает оригинальные методики для определения биомассы, химического состава и геохимической энергии видов. Ведь химические исследования живой материи потребовали определения веса организмов, элементарного состава, числового распределения различных соединений, количества и элементарного состава частей организма, влияния организмов и продуктов их разложения на окружение.
В 1916 г. на Украине, в Шишаках отдельные биогеохимические идеи и мысли начали укладываться в систему, к которой ученый затем будет многократно возвращаться в течение всей своей жизни.
Тесные связи Вернадского с украинскими природоведами способствовали обмену научными результатами и распространению биогеохимических идей. 4 июня 1918 г. Вернадский записал в дневнике: «В разговоре с Гинзбургом для меня стало ясно, насколько нова в сознании натуралистов моя идея о значении живого вещества в обмене и поверхностном перемешивании химических элементов. В этом смысле создается почва, независимая от подпочвы. Необходимо развить это в отдельной статье. Гинзбург воспользуется этой мыслью при разработке вопроса о калии и натрии в полезных ископаемых (глинах, залежах углей)». Под влиянием биогеохимических идей Вернадского Холодный заинтересовался вопросами двустороннего характера связи между атмосферой и биосферой, и организовал на станции интересные исследования жизнедеятельности железобактерий. Вернадский обратил его внимание на изменение внешнего вида зеленых водорослей, которые массово размножались в колодезной воде лесничества, богатой соединениями железа. Именно эти наблюдения послужили толчком для детального изучения Холодным всей группы железобактерий, которые он в изобилии обнаружил в этих водорослях.
До Вернадского большинство геологов и геохимиков исследовали химию земной коры, не обращая внимания на химические процессы, связанные с воздействием на ее структуру живой материи. Поэтому многие стороны крупного природного процесса оставались вне научного изучения. Как геохимик-эволюционист, Вернадский явления косной природы и органической жизни рассматривал как проявление единого процесса. Экспериментально и теоретически он показал, что биогенная миграция земных атомов вызывается тремя различными, но связанными между собой процессами жизни — метаболизмом, ростом и размножением организмов.
Рассматривая биогеохимические функции живого вещества, Вернадский отмечает, что функции, связанные с питанием, размножением и дыханием организмов, давно существовали в биосфере. А вот функции, связанные с перемещением атомов в соответствии с потребностями организмов, начали реализовываться с появлением животных со сложным способом поведения. Это новая форма биогенной миграции, отличающаяся от простого прохождения химических элементов через тело организма, стала особенно значительной в результате антропогенной деятельности.
В состав живого вещества, геохимически меняющего процессы в земной коре, Вернадский включил и человечество, рассматривая тем самым систему природы и систему общества в единстве. Замечательна по научной смелости его гипотеза об автотрофности человечества: «Для меня ясно, что переход человека в автотрофный организм через развитие научной работы есть естественный процесс, всецело попадающий в рамки других геохимических процессов. Точно так же как и весь рост культуры». Связанное с развитием научной мысли возрастающее геохимическое и геофизическое влияние человека на структуру и организованность биосферы интересовало Вернадского всю его жизнь и в той или иной форме отражено во всем его творчестве.
Вернадский сформулировал три биогеохимических принципа. В первом он охарактеризовал общую направленность биогенной миграции элементов в биосфере, которая всегда стремится к максимуму. Во втором принципе выражена главная тенденция в биогеохимической эволюции видов: в ходе геологического времени эволюция жизни идет в направлении создания форм, усиливающих биогенную миграцию атомов. В третьем принципе сформулировано положение о том, что в каждый период геологического времени заселенность планеты должна быть максимальной для организмов, существовавших в этот период.
Вернадский говорил, что «биогеохимия, так же как геохимия, может изучаться в трех аспектах: во-первых, с биологической стороны — ее значение для познания явлений жизни, во-вторых, с геологической стороны — ее значение для познания среды жизни, т. е. прежде всего биосферы, и в-третьих, в связи с ее прикладным значением, которое может быть научно сведено к биогеохимической роли человечества». Биогеохимические идеи Вернадского являются основой для складывающихся в настоящее время биосферных наук. К последним можно отнести экологическую геохимию, эволюционную экологию, эволюционную биогеографию, геохимию ландшафтов, морскую биологию, биогеоценологию.