הלימודים בכל המגמות  מורכבים מלימוד מקצועות שונים והגשת עבודת מחקר (תזה). על הסטודנט לסיים את רוב מכסת הקורסים הנדרשים בשנה הראשונה, ולהקדיש את השנה השניה למחקר ולכתיבת התזה.
הזמן הקצוב ללימודי תואר שני הוא 4 סמסטרים. הארכות לימודים יינתנו רק במקרים מיוחדים. לתלמידים העובדים מחוץ למחלקה ואינם מקבלים סיוע ניתנת אפשרות להאריך את לימודיהם מעבר ל- 4 סמסטרים התקניים.
 
המגמות המוצעות במחלקה הן:
 
​1. המגמה לגיאולוגיה כללית: המחלקה למדעי הגיאולוגיה והסביבה מקדמת מקצועיות עכשוויות בגיאולוגיה הקלאסית כגון מינרלוגיה ופטרולוגיה, טקטוניקה, גיאופיזיקה וסייסמולוגיה, גיאומורפולוגיה, גיאולוגיה של נפט, סטרטיגרפיה, סדימנטולוגיה, פליאונטולוגיה ופליאוקיאנוגרפיה, גיאולוגיה איזורית ועולמית. מטרתנו להכין סטודנטים למחקר בתהליכי העומק של כדור הארץ בעבר הגיאולוגי, ולמבט על אותם תהליכי רקע הניתנים לצפייה, למשל וולקניזם ורעידות אדמה, הצטברות סדימנטים ואותות החיים שבהם, ניתוח אגני השקעה והצטברות אוצרות הטבע שבהם, ויצירה ופיסול של הנוף. לכל אלו שטח מגע נרחב עם מגמות ההנדסה והסביבה היבשתית והימית. יש דרישה במשק לגיאולוגים מקצועיים בתעשייה, במנהל ציבורי ובפיתוח משאבי הטבע.  לימודי בחירה במגמה הכללית כוללים גם קורסים המיועדים לתלמידים שמתעניינים בדלקים מאובנים (נפט, גז, פחם)
 
​​2. המגמה לגיאולוגיה סביבתית /אוקיאנוגרפית: תכנית זו מיועדת להכשרת תלמידי תואר שני בתחום הסביבתי כחלק ממדעי הטבע בכלל ומדעי הגיאולוגיה והסביבה בפרט. כחלק מהתכנית נדרש רקע קודם במדעי הטבע וכן 3 קורסים בסיסיים בגיאוכימיה ואוקינוגרפיה ללא נקודות זכות.
 
3.  המגמה לגיאולוגיה הנדסית: המגמה נועדה להכשיר בוגרי תואר ראשון בגיאולוגיה או בוגרי הנדסה לעבודה ומחקר בנושאים הקשורים להנדסה בסלע. לימודי המגמה לתואר שני מתמקדים במכניקת הסלע, מנהור בסלע, יציבת מדרונות סלעיים, ביסוס בקרקע, וגיאוטכניקה בסביבת רעידות אדמה. מוסמכי המגמה יוכלו למלא תפקידים במקצוע הגיאולוגיה ההנדסית בכל פרויקט תשתיות בארץ ובעולם כולל השגחה על קידוחים, מיפוי הנדסי של מדרונות ומנהרות במהלך החציבה, תכנון כריה, מנהור, וחציבה בסלע, ביצוע ו/או ניתוח בדיקות מעבדה גיאוטכנית, ביצוע סקרי השפעה על הסביבה של פרויקטים הנדסיים, והערכת הסיכון הסייסמי בפרויקטים המבוצעים בסביבה סייסמית. הרקע האקדמי החזק המוענק בתכנית זו יאפשר לתלמידים מצטיינים להמשיך ללימודי דוקטורט בתחום זה בכל אוניברסיטה, בארץ ובעולם.
 
4. המגמה לגאולוגיה של נפט וג​ז: המחלקה למדעי הגיאולוגיה והסביבה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב פיתחה מגמה עדכנית לתארים מתקדמים בתחום הגיאולוגיה של נפט וגז על מנת להכשיר דור עתיד של אנשי מקצוע שיוכלו להוביל את חיפושי הנפט ולקדם את המחקר בתחום זה בישראל. פתיחת המגמה מהווה נדבך חשוב בהיערכות הלאומית להגעה לעצמאות אנרגטית, ויש חשיבות רבה מאד לכך מבחינה ביטחונית וכלכלית, בפרט לאור ההתפתחויות הגיאופוליטיות באזורנו.
נפט, גז, ופחם ממשיכים להיות המקור העיקרי לאנרגיה בחברה המודרנית, וגם בעתיד הנראה לעין. צריכת האנרגיה בעולם מוסיפה לגדול. קצב גידול הדרישה לנפט משיגה את קצב הגילוי של מאגרים חדשים והיכולת להגביר את ההפקה גם יחד. במדינת ישראל נתגלו מרבצי גז טבעי בים התיכון ובמקביל מתקיימים חיפושים בים וביבשה, המובלים על ידי חברות זרות. במדינת ישראל לא קיימת כעת תשתית מקצועית מתאימה לחיפושים והפקה של נפט וגז בהיקף הנדרש, ומגמה זו באה לתקן  חוסר מקצועי זה.

תכנית הלימודים כוללת 27 נק"ז:
א. מקצועות שיקבעו בתיאום עם המנחה, למגמת הלימודים הנבחרת, בהקיף 26 נק"ז ועוד 1 נק"ז לסמינר המחקר. מקצועות אלו כוללות מקצועות חובה ובחירה כמפורט לכל מגמה, מתוך רשימת המקצועות המוצעת על-ידי המחלקה, וחלקם מחוץ למחלקה. בין מקצועות הבחירה ישנם "פרוייקט מחקר" (קורס מס' 206-24921) דהיינו עבודת-מחקר מצומצמת בהיקף של 4 נק"ז או "סמינר כללי" (קורס מס' 206-24971)  מבוססת ספרות בהיקף של 2 נק"ז. וועדת המוסמכים המחלקתית תוכל לקבוע קורסי חובה עד 5-6 נק"ז, המחייבות את  כל תלמידי המוסמך שטרם השלימו 26 נק"ז.

 ב. במגמה הכללית נחשבים כל 26 נק"ז כבחירה במגמה. קיימת אפשרות להשתתף בקורסים הניתנים מחוץ למחלקה, או באוניברסיטאות אחרות, בהיקף של עד 25% מכלל הנקודות הנדרשות ללימודי המוסמך. חריגה ממגבלה זו מתאפשרת  לקורסים נבחרים בביה"ס ללימודי מדבר בנושאים הידרולוגיים, בגיאומורפולוגיה, GIS וחישה מרחוק בגיאוגרפיה, ולקורסים במכון הבין-אוניברסיטאי באילת, באישור ועדת ההוראה. לימודים באוניברסיטה אחרת כפופים להסדרים בין-אוניברסיטאיים בנושא שכר לימוד.
 
ג. תלמידים במגמה הסביבתית/אוקיאנוגרפית יוכלו לבחור לפחות 9 נק"ז מתוך קורסים המוגדרים בחירה במגמה, ו-17 נק"ז נוספות.
 
ד. תלמידי המגמה ההנדסית מחוייבים ב- 8.75 נק"ז חובה,  3.25 נק"ז בחירה במגמה ו- 14 נק"ז בחירה במחלקה.
 
ה. תלמידי המגמה לנפט וגז מחוייבים ב- 7 נק"ז חובה,  9 נק"ז בחירה במגמה ו- 10 נק"ז בחירה במחלקה.
 
ו.  נוכחות בסמינר המחלקתי במשך 3 סמסטרים חובה לכל תלמידי תואר שני. השתתפות אינה מזכה ב נק"ז.
 
ז. תלמידי כל המגמות חייבים להרשם לקורס "סמינר מחקר" 206-24321 המזכה ב-1 נק"ז בסמסטר השני ללימודיו. בקורס זה התלמיד יגיש בכתב הצעת מחקר ויציג אותה בפני סגל המחלקה. הציון יהיה על בסיס עובר/נכשל. קורס זה הוא תנאי להגשת הצעת תכנית המחקר לפי דרישות הפקולטה והמעבר לסמסטר השלישי מותנה בציון עובר בקורס זה.
 
ח. עבודת הגמר לתואר שני תוצג עם סיומה בסמינר מסכם כמבוא לבחינה על התיזה או בתכנית המשולבת לתואר שלישי, בבחינת המועמדות לדוקטורט. הרצאה זאת אינה מזכה בנקודות זכות.
  
ט. תלמידי המחקר מחוייבים להרשם לקורסים מקוצרים בני מספר קטן של מפגשים בנושאים שונים, או כהכרת לומדה ייעודית בלבד, כחלק אינטגרלי של תכנית הלימודים: הדרכת בטיחות לסטודנטים החשופים לגורמים מסוכנים  במעבדה (סטודנטים העובדים 4 שעות לפחות ביממה, 3 פעמים בשבוע, במשך חודשיים בשנה). תלמידים החשופים לחומרים כימיים או ביולוגיים מסוכנים, נדרשים לקחת בנוסף קורס ייעודי בהדרכת בטיחות, בדרך כלל  כל שנה. כמו כן ישנם סדנאות חובה מקוצרים לסגל זוטר המשתתף בהוראה, וכן סדנא בנושא מניעת הטרדה מינית. לכל קורס פרונטלי יש מספר קבוצות כדי לאפשר לתלמיד התאמה אישית ליתר מרכיבי תכנית הלימודים. השתתפות בקורסים וסדנאות אלו אינם מזכים בנקודות זכות.