矿物学（mineralogy）是地质学的一个分支，专注于矿物的化学成分、晶体结构和物理性质，包括光学性质的科学研究的学科。矿物学的具体研究领域包括矿物的起源与形成过程、分类、地理分布以及利用。
矿物学与岩石学、地球化学和晶体学紧密交叉。岩石学关注岩石的整体组成和成因，地球化学关注元素的分布和迁移，晶体学关注原子排列的几何规律，而矿物学把这三者结合起来，研究矿物作为地球和行星物质的基本单元。
早期关于矿物学，尤其是宝石学的著作，可追溯至古巴比伦、古希腊罗马世界、古代和中世纪的中国，以及古印度和古代伊斯兰世界的梵语文献。相关书籍包括老普林尼的《博物志》，该书不仅描述了许多不同的矿物，还解释了它们的许多性质；以及波斯科学家阿尔-比鲁尼的《宝石之书》。
德国文艺复兴时期的学者格奥尔格·阿格里科拉撰写了《论矿冶》（1556年）和《论化石的本质》（1546年）等著作，开创了该学科的科学研究方法。后文艺复兴时期的欧洲发展出了系统的矿物和岩石科学研究。现代矿物学研究建立在晶体学原理以及17世纪显微镜发明后对岩石薄片的显微研究之上。
尼古拉斯·施泰诺于1669年首次在石英晶体中观察到面角恒定定律，也称晶体学第一定律。该定律后由让-巴蒂斯特·洛梅·德·利斯莱于1783年加以概括并通过实验证实。"现代晶体学之父"勒内·朱斯特·阿维证明了晶体具有周期性，并确立了晶面取向可以用有理数表示，即有理指数定律，后者后来被编码为米勒指数。
1814年，永斯·雅各布·贝采里乌斯引入了一种基于化学成分而非晶体结构的矿物分类法。威廉·尼科尔在1827至1828年研究化石木材时，开发了能产生偏振光的尼科尔棱镜；亨利·克利夫顿·索比则证明，使用偏光显微镜可以根据光学性质识别矿物薄片。詹姆斯·丹纳于1837年出版了他的第一版《矿物学系统》，并在后来的版本中引入了一种至今仍是标准的化学分类法。马克斯·冯·劳厄于1912年展示了X射线衍射，威廉·亨利·布拉格和威廉·劳伦斯·布拉格父子团队将其发展为分析矿物晶体结构的工具。
鉴定矿物的第一步是检查其物理性质，其中许多可以在手标本上测量。这些性质可分为密度，通常以比重表示；机械内聚力的度量，包括硬度、韧度、解理、断口和裂开；宏观视觉性质，包括光泽、颜色、条痕、发光性和透明度；磁性和电学性质；放射性以及在盐酸中的溶解度。
硬度通过与其他矿物比较来确定。在莫氏硬度计中，一组标准矿物按硬度递增顺序从1的滑石到10的金刚石编号。较硬的矿物会划伤较软的矿物，因此可以将未知矿物与该刻度表上的矿物进行比较，看它能划伤哪些矿物以及被哪些矿物划伤。一些矿物，如方解石和蓝晶石，其硬度显著依赖于方向。硬度也可以使用硬度计在绝对刻度上测量；与绝对刻度相比，莫氏硬度是非线性的。
韧度指的是矿物在被破碎、粉碎、弯曲或撕裂时的表现方式。矿物可以是脆性的、可锻的、可切的、可延的、柔韧的或有弹性的。影响韧度的一个重要因素是化学键的类型，例如离子键或金属键。
解理是指沿着某些晶体学平面破裂的倾向，用性质如完全或中等和晶体学术语描述的平面取向来描述。裂开是由于压力、双晶或出溶而沿着弱面破裂的倾向。当这两种破裂都不发生时，断口则是一种更无序的形式，可能是贝壳状、纤维状、参差状、锯齿状或不平坦。
如果矿物结晶良好，它还将具有反映晶体结构或原子内部排列的独特晶体习性，例如六方柱状、葡萄状。它也受晶体缺陷和双晶的影响。许多晶体是多象的，具有不止一种可能的晶体结构，这取决于压力和温度等因素。
晶体结构是晶体中原子的排列方式。它由一个点阵表示，该点阵在三维空间中重复一个称为晶胞的基本模式。该点阵可以用其对称性和晶胞的尺寸来表征，尺寸由三个米勒指数表示。
点阵在某些对称操作下保持不变，包括关于点阵中任意给定点的反射、旋转、反演和旋转反演。这些对称操作共同构成一个称为晶体学点群或晶类的数学对象。共有32种可能的晶类。此外，还存在使所有点发生位移的操作，包括平移、螺旋轴和滑移面。它们与点对称性结合，形成了230种可能的空间群。
大多数地质系都拥有X射线粉末衍射设备来分析矿物的晶体结构。X射线的波长与原子间距离的数量级相同。衍射，即在不同原子处散射的波之间的相长和相消干涉，产生了取决于晶体几何形状的独特强弱强度图案。在研磨成粉末的样品中，X射线探测到所有晶体取向的随机分布。
矿物学可分为描述矿物学、成因矿物学、实验矿物学、应用矿物学和矿物物理学。描述矿物学负责矿物鉴定、分类和命名；成因矿物学研究生长的物理化学条件；实验矿物学在实验室模拟高温高压反应；应用矿物学关注矿物在工业、环境和材料中的利用；矿物物理学研究矿物的弹性、热学、电学和光学性质。
现代矿物学还与环境矿物学、生物矿物学、行星矿物学和矿物信息学交叉。环境矿物学关注污染物与矿物的相互作用，生物矿物学研究生物控制的矿化，行星矿物学通过陨石和探测器数据研究地外矿物，矿物信息学则利用数据库和机器学习处理海量矿物数据。
近年来，得益于中子衍射等实验技术和计算能力的进步，该学科已扩展到无机化学和固体物理中更广泛的问题。然而，它仍然关注岩石成因矿物中常见的晶体结构，如钙钛矿、黏土矿物和架状硅酸盐。
该领域在理解矿物原子尺度结构与其功能关系方面取得了巨大进展。在自然界中，显著的例子包括对矿物弹性性质的精确测量和预测，这为理解岩石的地震行为以及地球地幔地震图中的深度不连续性提供了新见解。为此，在专注于原子尺度现象与宏观性质之间的联系方面，现今通常所称的"矿物科学"或许比任何其他学科都更显示出与材料科学的重叠。