לכל מגנט יש שני צדדים, אחד מוגדר 'צפוני' ואחד 'דרומי'. גם לכדור הארץ יש שדה מגנטי, מה שאומר שהוא מתנהג קצת כמו מגנט ענקי עם צפון מגנטי שנמצא באזור הקוטב הצפוני ודרום מגנטי שנמצא סמוך לקוטב הדרומי.
קיום השדה המגנטי של כדור הארץ נובע מכך שיש בתוכו גלעין ברזל שהליבה שלו מוצקה, וסביבה שכבה של ברזל נוזלי. הסיבוב של כדור הארץ סביב צירו גורם לגלעין החיצוני הנוזלי לזרום סביב הגלעין הפנימי המוצק. הסיבוב גורם לאפקט דינמו, היוצר שדה מגנטי שמורגש בכדור הארץ כולו, גם בשכבה החיצונית ביותר שעליה אנו חיים וגבוה מעלינו באטמוספרה. השדה המגנטי הזה הוא האחראי לכך שמצפנים מצביעים צפונה.
הגלעין הנוזלי וליבתו המוצקה אינם אחידים ונעים זה ביחס לזה כך שתמיד נוצרים באופן ספונטני שדות מגנטיים נוספים, חלשים יותר, בעלי כיווני 'צפון מגנטי' ו'דרום מגנטי' שלא בהכרח נמצאים באזור הצפון הגיאוגרפי או הדרום הגיאוגרפי אלא יכולים להיות בכל כיוון אפשרי. השדה המגנטי הראשי חזק משמעותית מהשדות הקטנים האחרים, ולכן בפועל נרגיש רק אותו. קיומם של אותם שדות מגנטים משניים גורמים לכך שאת השדה המגנטי הראשי נרגיש בעוצמות שונות באזורים שונים בכדור הארץ.
השדה המגנטי של כדור הארץ אינו נשאר קבוע בכיוונו. אחת לכמה מאות אלפי שנים הוא מתהפך לחלוטין כך שהצפון המגנטי ימצא בכיוון שקודם היה הדרום המגנטי ולהפך. כאשר מתחיל אירוע של היפוך של השדה המגנטי, הרכיבים החלשים יותר של השדה המגנטי שמכוונים לכיוונים שונים מתחזקים והשדה המגנטי הראשי בכיוון הצפון-דרום נחלש. לאט-לאט רכיבי השדה המגנטי הצפוני-דרומי יתחזקו בחזרה; הפעם בכיוון ההפוך, כשהצפון בדרום והדרום בצפון, בעוד שהשדות המגנטים בכיוונים השונים חוזרים ונחלשים ויתקבל שוב שדה מגנטי ראשי, הפוך בכיוון. תהליך ההיפוך נמשך בין אלף ל-10,000שנים.
מאחר שלא ברור בדיוק למה השדה המגנטי מתהפך, והתהפכויות כאלה אינן מתרחשות בתדירות קבועה, איננו יכולים ניתן לחזות מתי יתרחש היפוך שוב בעתיד. אבל בחינה של סלעים בעלי תכונות מגנטיות, מאפשרת לגלות מתי היפוכים כאלה התרחשו בעבר. במרכזי האוקיינוסים יש רכסים של הרי געש שפולטים כל הזמן לבה חמה. המאגמה הבזלתית מכילה מינרל שנקרא מגנטיט, ומכיל ברזל המקנה לו תכונות מגנטיות. כל עוד המאגמה חמה ונוזלית, המגנטיט, כמו מצפן, מתיישר לפי כיוון השדה המגנטי של כדור הארץ. כשהמאגמה מתקשה והופכת לסלע, הכיוון המגנטי של הברזל במגנטיט מתקבע ואינו יכול להשתנות עוד גם אם השדה המגנטי של כדור הארץ זז. כך, אם עוקבים אחרי סלעי הבזלת באוקיינוס אפשר לשחזר את ההיסטוריה של היפוכי השדה המגנטי של כדור הארץ. ב-20 מיליון השנים האחרונות השדה המגנטי של כדור הארץ התהפך כל 200-300 אלף שנים, אך ההיפוך האחרון התרחש לפני 780 אלף שנה. בתקופות עתיקות יותר, כמו לפני 120 מיליון שנה, השדה המגנטי נשאר יציב בכיוונו לתקופות ארוכות של עד כ-40 מיליון שנה או קצרות של עד כ- 20 אלף שנה.
הגנה מקרינה
תחזיות 'יום הדין' כמו למשל בסרט "סערה משמים" (Polar Storm, 2009) טוענות שהיפוך השדה המגנטי יגרום למצב שבו כדור הארץ יוותר נטול הגנה מפני קרינת השמש. הקרינה הזו מספקת אור וחום המאפשרים לחיים להתקיים על פני כדור הארץ אך יש בה רכיבים מסוכנים: שטף חזק של חלקיקים טעונים שבמינון גבוה מדי עלולים לגרום לנזקים בריאותיים ואף קטלניים לחיים על פני כדור הארץ. השדה המגנטי משמש כחגורת מגן סביב כדור הארץ, הנקראת חגורת ון אלן, והיא הודפת את רוב שטף החלקיקים המסוכנים המגיעים מהשמש.
כשיתרחש היפוך נוסף בעתיד, כיצד הוא ישפיע עלינו? כדור הארץ לא יישאר נטול שדה מגנטי, אך השדה החזק בכיוון צפון-דרום צפוי להיחלש, וריבוי השדות בכיוונים שונים יגרום להחלשתה של חגורת ון-אלן, ולעלייה בעוצמת הקרינה והחלקיקים מהחלל המגיעים אלינו. לא ברור כיצד תופעה כזו תשפיע על בריאות האדם ושאר היצורים החיים, בהם בעלי חיים המשתמשים בשדה המגנטי לניווט, כמו ציפורים נודדות. התחזית הזו אמנם עגומה, אבל בחינה של מאובנים מעלה כי ההתהפכויות האחרונות לא גרמו ככל הנראה נזק של ממש לחיים על פני כדור הארץ, ולא זוהו בתקופתה הכחדות גדולות של מיני בעלי חיים או צמחים. כך או כך, יש לזכור כי התהפכות כזו אמנם נמשכת הרף עין גיאולוגי, אלפי שנים בודדות, אבל מבחינת אורך החיים של אדם מדובר בתקופה ארוכה מאוד, שהשינויים במהלכה יהיו כנראה קטנים והדרגתיים מאוד.