2002年初，按照中国科学院关于建立南方海洋科学创新基地的战略部署，与原“中国科学院长沙大地构造研究所”（1961年成立，时为“中国科学院中南大地构造及地球化学研究室”，1978年定名为“中国科学院长沙大地构造研究所”）异地整合，仍沿用“中国科学院广州地球化学研究所”所名，整体进入中国科学院知识创新工程二期试点系列，科技创新目标进一步凝练为大陆边缘动力学与矿产资源、海陆相互作用及其环境效应两个主要领域，同时开拓了极端环境地质地球化学（主要是地球深部物质结构与性质和深海地球化学）探索性领域。