Геологический метод является основным. При полевых исследованиях петролог изучает сначала, промежуточные стадии и результаты разнообразных физико-химических процессов, протекавших в земной коре на протяжении миллиардов лет. Петрограф должен выяснить условия залегания пород, определить эти породы, выяснить их взаимоотношения с соседними породами, другими словами, дать полевое описание и точно закартировать горные породы. Без такого анализа геолог не может дать ответа на вопрос, где залегают и где надо искать полезные ископаемые.
Микроскопический метод является продолжением геологического. Микроскоп позволяет диагностировать минералы, слагающие горную породу, определять структуру горной породы, иногда химический состав минералов, а также делать дополнительные заключения о процессе образования горной породы.
Метод химического анализа дает точное представление о химизме горных пород, что имеет существенное значение как при диагностике и классификации горных пород, так и при решении вопросов об их происхождении. За последнее время значительно повысился интерес к нахождению и распределению в горных породах редких или рассеянных элементов.
Экспериментальный метод развивается в петрографии двумя путями. Первый путь – путь моделирования, т.е. воспроизведения природного процесса в лабораторных условиях. Например, огромный сдвиг в познаниях о ходе кристаллизации магматических пород произвели эксперименты, которые выполнены в многокомпонентных силикатных системах, близких по составу к составу магм. Второй путь в этом методе – это совершенствование, упрощение и удешевление методик по изучению состава минералов и горных пород: микроскопический, химический, спектрохимический, рентгеновский и многих других.
Пятый метод петрографии – теоретический физико-химический. Поскольку образование горных пород подчиняется физико-химическим законам, то знание этих законов дает возможность воссоздавать представления о ходе геологических процессов на точной физико-химической основе.
Также следует отметить метод математического анализа в петрографии и петрологии, который весьма перспективен. К сожалению метод, пока главным образом, изучает вопросы научного отбора проб и обработки химических анализов и еще слабо вторгается в анализ петрологического материала.
