Egli è meglio conosciuto come l’autore di Principi di geologia, che ha reso popolare i concetti di James Hutton di uniformitarianism—l’idea che la Terra è stata modellata dagli stessi processi ancora in funzione oggi. I principi della geologia sfidarono anche le teorie rese popolari da Georges Cuvier, che erano le idee più accettate e diffuse sulla geologia in Inghilterra all’epoca., I suoi contributi scientifici includevano una spiegazione dei terremoti, la teoria della graduale “costruzione di backup” dei vulcani, e in stratigrafia la divisione del periodo Terziario nel Pliocene, nel Miocene e nell’Eocene. Ha anche coniato i nomi attualmente utilizzati per er geologiche, Paleozoico, Mesozoico e Cenozoico. Ha erroneamente congetturato che gli iceberg potrebbero essere l’enfasi dietro il trasporto di erratici glaciali, e che i depositi limosi di loess potrebbero essersi depositati dalle acque di inondazione., Lyell, seguendo le tradizioni deistiche, favorì un’età indefinitamente lunga per la terra, nonostante le prove geologiche suggerissero un’età vecchia ma finita. Era un caro amico di Charles Darwin, e ha contribuito in modo significativo al pensiero di Darwin sui processi coinvolti nell’evoluzione. Ha contribuito a organizzare la pubblicazione simultanea nel 1858 di documenti di Darwin e Alfred Russel Wallace sulla selezione naturale, nonostante i suoi personali scrupoli religiosi sulla teoria. In seguito pubblicò prove della geologia del tempo in cui l’uomo era esistito sulla Terra.