Кафедра литологии и морской геологии была создана в 1983 г. (приказами Минвуза СССР № 1149 от 11 ноября 1983 г. и Ректора МГУ от 1 декабря 1983 г.) на базе двух структурных подразделений Геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова: лаборатории литологии кафедры исторической и региональной геологии и лаборатории морской геологии кафедры динамической геологии. Основной задачей работы кафедры стала подготовка дипломированных геологов по специализации «Литология»; с 1993 г. была введена также специализация «Морская геология».
Первым заведующим кафедрой был назначен член-корр. АН СССР П.П. Тимофеев (работавший в то время заместителем директора Геологического института АН СССР). Он руководил кафедрой до 1990 г., читал лекции по курсам «Учение о фациях и палеогеография» и «Учение об осадочных геологических формациях».
С 1990 г. по 2016 г. кафедру возглавлял профессор, академик Российской Академии естественных наук, Заслуженный деятель науки РФ О.В. Япаскурт (с 1990 по 1994 гг. — в качестве исполняющего обязанности заведующего кафедрой). Им читались курсы «Литология», «Стадиальный анализ литогенеза» (впервые разработанный им и внедренный в программы других университетов России и Республики Беларусь) и многие другие специализированные дисциплины. По совместительству О.В. Япаскурт руководил лабораторией литогенеза Геологического института (ГИН) РАН и возглавлял Межведомственный литологический комитет РАН, реализуя тем самым рабочие взаимосвязи вузовских и академических научных школ литологов.
С 2016 г. по 2022 г. кафедру возглавляла доктор геолого-минералогических наук, профессор Ю.В. Ростовцева, читала лекции по курсам «Литология», «Древние обстановки карбонатонакопления» и другим специализированным дисциплинам, проводила учебную практику на Таманском полуострове.
27 ноября 2017 года приказом №1384, подписанным ректором МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра литологии и морской геологии переименована в кафедру нефтегазовой седиментологии и морской геологии.
В апреле 2024 г. доктор геолого-минералогических наук, профессор Г.А. Калмыков назначен заведующим кафедрой нефтегазовой седиментологии и морской геологии.
На кафедре преподавали и работали: Г.Ф. Крашенинников, В.Т. Фролов, А.Г. Коссовская, И.С. Чумаков, Л.Г. Рекшинская, Н.В. Иванова, А.Ф. Щербаков, М.Н. Щербакова, А.Ф. Лимонов, Н.А. Соловьева, А.С. Поляков, И.И. Плюснина, Н.Б. Ланкина, Л.Ф. Холодяева, П.Н. Куприн, Ю.В. Ростовцева, П.А. Ивлиев, С.С. Демьянков, Т.И. Лазина, Л.Ф. Кузнецова.