En agosto de 1838 Lyell publicó Elementos de Geología, que acabó convirtiéndose en un trabajo seminal sobre la geología estratigráfica y paleontológica. Tuvo seis ediciones al largo de la vida de Lyell.
Lyell está considerado también como uno de los fundadores de la estratigrafía y elaboró un método para clasificar los estratos mediante el estudio de los antiguos estratos marinos de Europa occidental. Se dio cuenta de que los estratos marinos más cercanos a la superficie, que son los más recientes, contenían muchas especies de moluscos con caparazón que perviven actualmente en el mar. Por otra parte, los estratos más antiguos y profundos contenían cada vez menos fósiles de las especies vivientes, lo que le llevó a dividir el tiempo geológico en escalas temporales más amplias, basándose en los porcentajes de decrecimiento de las especies modernas. Dividió, el Terciario en tres épocas: Eoceno, Mioceno y Plioceno, nomenclatura que aún se conserva hoy en día. Fue el primero en apuntar que la especie humana debía ser más antigua del que apuntaban las teorías de su época y, además, concluyó que las rocas más antiguas existentes en la Tierra, databan de 240 millones de años.
