早在清华学校时期，国学部就有中国地理课程。1929年6月通过的《国立清华大学规程》决定设立地理学系，1929年秋，地理学系正式成立。2005年度国家最高科学技术奖获得者、著名气象学家叶笃正就是地理学系毕业生中的杰出代表。
三科并举
地理学系1929年秋成立，1932年更名为地学系，分设地理、地质、气象三组。首任系主任是翁文灏（1889～1971），他是著名地质学家、中国现代地质学的奠基人之一。1912年获比利时鲁汶大学理学博士学位，1918年参与成立地质调查所，开创国人自己调查本国资源的新纪元。1927年起在清华任兼职教授，开设地质课。1929年参与创设地理学系，对于清华地理学科的发展倾注了相当大的精力。
然而1929年，地质调查所青年地质学家赵亚曾，在云南考察时遇匪死难。翁文灏惊闻此事后深感内疚，认为自己未能“专任所务”。因此在1930年，他辞去系主任职务，改任名誉主任和名誉教授，1931年还曾代理校务数月。他在《年谱初稿》中记载：“余自赵亚曾故后，本已立志脱离校课，专心所务，乃清华大学师生因校国立，不愿因校长人选而归入政客派系之手，故于部派校长争持颇坚。政府为宁息计，命余代理其事，钱昌照来平力为劝任。余勉允暂任，以六月为限。嗣因余商荐梅贻琦为校长，荷政府采纳。”此后，由袁复礼、冯景兰先后担任系主任。
地学系建系时即分为地质、地理、气象三组，均有雄厚的师资力量支持，如：地质有翁文灏、袁复礼、谢家荣、冯景兰、张席褆等，地理有王成组、洪绂、张印堂、黄国障等，气象有黄厦千、李宪之、涂长望、赵九章等，均为地学系发展做出贡献。
在课程设置上，以“与他校少有重复课程，多有互助课程”，拟进行“界于地质、地理之间的教学和研究”为原则；不仅讲授书本知识，而且注重测量、制图、气象观测等技能训练。培养的并非是专长单一的人才，而是具有地理、地质、气象三门学识的通才学生。起初选修其他系课程较多，1932年以后减少选修课，增加本系必修课。共同必修的本系课程有普通地质学、自然地理、人文地理、气象学等。1933年曾设立地学研究所，招收研究生1人，翌年即停止招生。
注重实践
翁文灏要求学生“不但用耳用目的学，还要动手动脚的学”。地学系41门主修和选修课程中，包含室内实习、野外实习的课程就有25门。野外实习为二、三、四年级学生公共必修课，多是利用每年春假到近郊或外地山区举行，实习完要做一份详细的《实习报告》。
气象学一课，最初在校园西北隅设有气象园进行实测。1931年春，以3万3千余元建成对径24英尺、高五层90英尺之八角形气象台一座。内装设有测气压、风力、温湿度、降水量等仪器，后又添置了口径130毫米、放大275倍的赤道望远镜，所有设备达到国际先进水平。地理组备有各种挂图、地图集、地形图，省府县志、西文的全套地理期刊等，计有十数种书刊。地质组有供给学生学习用的结晶模型、矿物标本、岩石标本及切片、经济地质标本等，以及显微镜、蔡司双管镜、测磁仪、显微照相机、水成岩分析器等设备。
地学系教师一方面注重教学，另一方面利用假期积极进行野外考察、科学研究，取得了丰硕成果。袁复礼在参加“西北科学考察团”工作时，曾发现恐龙化石，为国内外古生物学研究界所关注。冯景兰、洪绂、张席褆等发表的论文有《云南地质矿产》、《福建、山东、河北等土地利用与人口分布》、《中国中生式地层的研究》等，极具水平。
在气象学研究方面，气象台设有两三个专职的技术人员。他们经常进行地面层及上层空气状况的观测，并自1939年1月1日起，逐日对校内外发布北京附近的气象报告及外埠各地天气状况报告。气象组在西南联大时期完成论文20余篇，如赵九章的《大气涡旋运动》，李宪之的《台风预报法》等。
桃李芬芳
后来西南联大时期，地学系与北大地质系合组为地质、地理、气象学系；1946年复校后，地学系分为地质、地理两组，另单独建成气象学系；1950年地质组分出成立地质学系。1952年院系调整，地学系并入北大；地质学系与北大、天大和唐山铁道学院的地质系（组）合并，成立北京地质学院。
到 1952年为止，地学、地质学、气象学系共培养毕业生200多人，其中许多人成为著名的学者、教授，荣获2003年世界气象组织最高奖及多次获国家最高奖的杰出气象学家叶笃正院士就是其中一位。叶笃正1940年毕业于清华，一直孜孜不倦地研究我国气象，主要成就包括建立青藏高原气象学、发现大气环流的突变、提出大气能量频散理论、倡导与可持续发展相联系的全球变化研究以及人类有序活动对全球变化影响的适应等，为我国现代气象业务发展做出了卓越的贡献。
