Geokjemi, læren om jordklodens kjemiske sammensetning og kjemiske utvikling.
Geokjemien hører inn under geologien og har blant sine oppgaver å bestemme mengde og forhold mellom de forskjellige grunnstoffer og isotoper i og på Jorden (i kjerne, mantel, jordskorpe, grunnvann, hav og atmosfære), og å utrede de kjemiske prosesser som foregår der. Den norske geologen Victor Moritz Goldschmidt bidrog til den tidlige utviklingen av faget og er i ettertid blitt omtalt som geokjemiens far.
Faget omfatter metoder og teknikker som spenner fra statistiske studier for eksempel av mantelens gjennomsnittlige sammensetning til praktisk bruk av elektronstråler for analyse av små mineralkorn. Ved eksperimentell geokjemi lager man modeller for likevektsprosesser, men da prosessene i Jorden kan foregå gjennom uhyre lange tidsrom, er de ikke alltid lette å beregne.
Geokjemi har stor praktisk betydning innen malmleting.
Begrepet geokjemi blir gjerne utvidet slik at det også kan omfatte tilsvarende forhold på andre himmellegemer (kosmogeokjemi, planetologi).