层序地层学是研究旋回式、成因上有联系的、以侵蚀面或者与其可以对比的整合面为界的年代地层格架，以及沉积层序内部地层、岩相分布模式的地层学分支学科。
层序地层学通过对地震、测井和露头资料的分析，研究在构造运动、海面升降、沉积物供应和气候等因素控制下，造成相对海平面的升降变化及其与地层层序、层序内部不同级次单位的划分、分布规律；研究其相互之间的成因联系、界面特征和相带分布。以建立更精确的全球性地层年代对比、定量解释地层沉积史和更科学地进行油藏以及其他沉积矿产的钻前预测。
层序的基本概念在18世纪晚期即已提出，认为地层的顶、底界是不整合的单位。但第一次明确提出层序一词，并用于北美大陆古生代地层划分的是斯洛斯。
到了20世纪50年代后期，美国地质学家韦尔等，在研究了大量资料的基础上，于1965年提出了第一代的全球海平面相对变化曲线和地震地层学基本原理，成功地解决了北海盆地的中生代地层划分，引起了石油地质界的重视，并于1977年出版了《地震地层学在油气勘探中的应用》一书。它标志着地震地层学的诞生和层序地层学的奠基。
1987年，美国哈克、韦尔、哈登博尔等，在总结各项成果的基础上，提出第二代海平面相对变化曲线，并系统地提出层序地层学的基本理论与概念。出版了《层序地层学原理》，它标志着层序地层学进入成熟和蓬勃发展阶段。
层序地层学是在地震地层学的基础上发展起来的，它概括了地震地层学的基本概念和方法，并综合了生物地层学、同位素地层学、磁性地层学、沉积学和构造地质学的最新成果。其基本原理是构造运动、全球绝对海平面的变化和沉积物供应速度综合作用的结果，产生了地层记录，也可称作地层信号。这些记录反映了上述诸作用的规模、强弱、持续时间和影响范围。其中，构造作用与海平面变化的结合，引起了全球性相对海平面变化，它控制了沉积物形成的潜在空间。
构造作用与气候变化的结合，控制了沉积物的类型和沉积数量，以及可容纳空间中被沉积物充填的比例。而河流和海洋环境中的沉积作用，又由于水流与地形和水深间的相互影响而引起不同的岩相分布。
上述作用按其规模可以分为六级：持续时间大于5000万年的称为一级周期，500～5000万年的为二级周期，50～500万年的为三级周期，10～50万年的为四级周期，1～10万年的为五级周期，小于1万年的为六级周期。
一级周期的起因是地壳的拉张、负载引起的地壳下挠、地壳的热冷缩等，其地层记录表现为沉积盆地的形成与发展；二级周期的起因是板块边界的调整、热的扰动、大洋盆体积的变化等，表现为大规模的海进-海退旋回、大规模的大陆淹没；三级周期的起因是局部或区域性的应力释放、气候的变化、水体体积变化引起的海平面相对变化，地层记录表现为褶皱、断层、岩浆活动、刺穿作用和层序地层学的基本单位沉积层序的形成；第四、五、六级周期的起因分别是气候和水体体积的变化、地球轨道偏心率的变化、地轴倾角的变化以及岁差引起的米兰科维奇频率 。
一般认为，海平面的升降是全球性的，而构造活动是地区性或区域性的。尽管后者的强度通常明显地大于前者，但是构造活动只能增强或削弱层序的边界不整合面和层序内部的沉积间断面，但不能制造这些面。
层序地层学主要根据露头、测井、地震资料和高分辨率的生物地层学断代资料，进行沉积层序分析，解释层序、体系域、准层序，建立年代地层框架；根据层序边界编制构造沉降和总沉降曲线，并解释盆地的地质历史；
将板块碰撞或离散事件、重大海进-海退旋回、岩浆活动、重大不整合面等构造事件与地层特征联系起来，进行构造-地层综合分析，划分构造-地层单元、编制相应图件、利用计算机模拟它们的发展历史；
研究层序内部的不同绥次地层单位，包括沉积体系域、沉积体系、准层序组和准层序。确定其地层分布模式和相带分布；编制年代地层框图、海面升降曲线、古地理图件、岩相图件等，以进行综合解释；
圈定有利生油和有利于形成油藏的地段，提出可供勘探的井位，圈定有利于形成其他矿产，如煤、铁、磷灰石等沉积矿床的地段，提出可供勘探的靶区。
层序地层学的诞生，提出了一系列新的概念。依照这些新概念，几乎一切与沉积地质学有关的学科，都要接受重新检验和研究。
层序地层学下一步重要发展方向是建立和完善不同构造、环境背景下的不同级次的层序地层模式，特别是目前研究薄弱的陆相环境以及元古宙的模式；改进和完善全球海平面相对变化曲线，以及统一的年代地层表；在层序地层学理论与高分辨率地震岩性勘探和计算机技术相结合的基础上，实现油藏、气藏、煤田和沉积矿床等的钻前预测和合理的资源开发。