地球磁場は一定不変ではなく，様々な時間スケールで変動している． 数年から数十年の比較的短い周期の変動は， 地球の外部の電離圏や磁気圏に起源がある． 例えば，磁気嵐は太陽活動と磁気圏との相互作用によると考えられている． 一方，長い周期のゆっくりとした変動は，地球の内部に起源がある． このような変動は永年変化と呼ばれている．
よく知られている地球磁場の永年変化に，
地球磁場のパターンが少しずつ西へ移動していることが挙げられる．
このような変化は 1692 年にハレー（Halley）によって指摘されていた．
磁場分布の移動速度は年間約 0.2°である．
しかし，このような磁場の西方移動は，
核表面での磁場分布
の時間変化を調べると様相が異なることが分かる．
磁場の西方移動はいたるところで起きているのではなく，
東経 90°から西経 90°にかけてに集中しているのである．
一方，太平洋の下部では，地球磁場の変動は非常に小さい．
もちろん，地球規模での地球磁場のデータは，
せいぜい最近 400 年程度に限られており，
それ以前に地球磁場がどのように分布し，
どのような変動をしていたのかは，
今後の古地磁気学の研究によることになる．
永年変化の中でもっとも劇的なものは地球磁場の逆転であろう．
かつて，地球磁場の極性が現在とは逆だった時代があったのである．
つまり，今では北を指している磁針が，その当時は南を指していたことになる．
このことは古地磁気学の研究により明らかにされた．
地球磁場逆転の歴史は，
海底磁気異常の縞模様と海洋底拡大とから推定された（図参照）．
地球磁場の極性逆転は周期的に起こっているわけではなく，
かなり不規則に起こっていることがわかる．
例えば，白亜紀には逆転が全く起こっていないと考えられている．
このような極性逆転の頻度は，
海洋地殻生成率と関係があるとも指摘されている．
つまりマントルの活動が
地球磁場が生成されている核に影響を与えていると考えられる．
地球磁場極性逆転のメカニズムはまだ解明されていない．