Setelah penemuan mineral dari Bastnas dekat Riddarthyttan, Swedia pada 1794, kemudian diuji ulang oleh Jons Jacob Berzelius dan Wilhelm Hisinger, dan hasilnya dipercaya bahwa mineral itu adalah senyawa besi-tungsten. Pada tahun 1803 mereka menentukan nama mineral oksida berwarna putih sebagai ceria, sama dengan mineral ochroia yang juga ditemukan oleh Martin Heinrich Klaproth. Dengan demikian pada tahun 1803 dikenali dua unsur tanah jarang yttrium dan cerium, meskipun memerlukan waktu 30 tahun kemudian para peneliti menentukan bahwa unsur-unsur lainnya terkandung di dalam bijih-bijih ceria dan yttria.
Pada tahun 1839, Carl Gustav Mosander, salah satu asisten Berzelius memisahkan ceria dengan cara memanaskan nitrat dan melarutkannya di dalam asam nitrit. Dia menyebutnya sebagai oksida dari larutan garam lanthana. Kemudian dalam waktu lebih dari tiga tahun lanthana dipisahkan menjadi didymia dan lanthana murni. Di tahun 1842, Mosander memisahkan yttria menjadi tiga oksida: yttria murni, terbia, dan erbia. Terbium merupakan garam berwarna merah muda, sedangkan peroksida kuning disebut erbium. Sehingga pada tahun 1842 jumlah unsur tanah jarang yang diidentifikasi berupa yttrium, cerium, lanthanum, didymium, erbium, dan terbium.
Nills Johan Berlin dan Marc Delafontaine juga mencoba memisahkan bahan mentah yttria dan menemukan hal sama dengan yang ditentukan oleh Mosander, tetapi Berlin (1860) menamai zat garam merah muda itu sebagai erbium dan Delafontaine menyebutnya terbium. Kebingungan ini membawa ke arah beberapa kesalahan penentuan unsur-unsur baru seperti mosandrium yang ditentukan oleh J.Lawrence Smith, atau philippium dan decipium hasil penentuan oleh Delafontaine.
Pada tahun 1879 Delafontaine menggunakan proses fisika baru spektroskopi dan menemukan beberapa jalur spektral baru di dalam didymia. Masih di tahun 1879, unsur baru samarium diisolasi dari mineral samarskit oleh Paul Emile Lecoq de Boisbaudran.
Samaria lebih jauh dipisahkan oleh Lecog de Boisbaudran di tahun 1886 dan hasil yang ditentukan dengan cara isolasi langsung dari samarskit oleh Jean charles Galissard de Marignac. Mereka menamai unsur tersebut godalium setelah Johan Gadolin memisahkannya, dan oksidanya disebut gadolina. Antara tahun 1886 dan 1901, analisis spekstroskopi lebih jauh terhadap samaria, yttria, dan smarskit dilakukan oleh William Crookes, Lecoq de Boibaudran, dan Eugene-Anatole Demacay dan menghasilkan beberapa jalur spektroskopis baru yang mengindikasikan keberadaan salah satu unsur tak dikenal. Kristalisasi fraksional dari oksida-oksida tersebut kemudian menghasilkan europium di tahun 1901.
 |
| Periodik unsur dan elemen logam tanah jarang. |
Pada tahun 1839 sumber ketiga unsur tanah jarang menjadi tersedia, yang disebut uranotantalum (sekarang disebut samarskit) dan serupa dengan gadolinit. Mineral ini didapatkan dari Miass di bagian Selatan Pegunungan Ural dan didokumentasikan oleh Gustave Rose. Ahli kimia Rusia R.Hamann mengusulkan nama salah satu unsur baru yang disebut ilmenium yang ada di dalam mineral tersebut, tetapi kemudian yang ditemukan di dalamnya oleh Cristian Wilhelm Blomstard, Galissard de Marignac, dan Heinrich Rose hanya berupa tantalum dan niobium (columbium).
Pada saat itu jumlah pasti dari unsur-unsur tanah jarang sangat tidak jelas, dan diperkirakan maksimum 25 (duapuluh lima) unsur. Penggunaan spektra X-ray oleh Henry Gwyn Jeffrey Moseley membuat penentuan nomor atom unsur-unsur menjadi memungkinkan. Moseley menemukan bahwa jumlah pasti lanthanida adalah 15 dan unsur ke-61 telah ditemukan. Mengacu pada kenyataan di atas tentang nomor-nomor atom berdasarkan analisis kristalografi X-ray, Moseley juga menunjukkan bahwa hafnium (unsur ke-72) bukan unsur tanah jarang. Moseley terbunuh pada Perang Dunia I di tahun 1915, bertahun-tahun sebelum hafnium ditemukan. Oleh karena itu, pengakuan Georges Urbain tentang penemuan unsur ke-72 adalah tidak benar. Hafnium merupakan salah satu unsur yang terletak langsung di bawah zirkonium dalam tabel periodik, dan hafnium memiliki sifat-sifat kimia dan fisika yang sama dengan zirkonium.
Selama tahun 1940-an, Frank Spending dan lain-lain di Amerika Serikat (Proyek Manhattan) menggambarkan prosedur kimiawi berupa pertukaran ion untuk pemisahan dan pemurnian unsur-unsur tanah jarang. Metoda ini diaplikasikan pertama kali terhadap actinida untuk memisahkan plutonium-239 dan neptonium dari uranium, thorium, actinium, dan unsur-unsur tanah jarang actinida yang lain yang dihasilkan dari reaktor-reaktor nuklir.
Sumber-sumber utama unsur-unsur tanah jarang berupa mineral-mineral basnasit, monasit, dan loparit serta lempung-lempung adsorpsi-ion lateritik. Kecuali kelimpahan unsur-unsurnya yang tinggi mineral-mineral tanah jarang lebih sukar ditambang dan diekstraksi daripada sumber-sumber logam transisi (karena kesamaan sifat kimianya); membuat unsur-unsur tanah jarang relatif berharga mahal. Penggunaannya di bidang industri sangat terbatas hingga teknik-teknik pemisahan yang efisien dikembangkan seperti pertukaran ion (ion exchange), kristalisasi fraksional (fractional cristalization) dan ekstraksi cairan-cairan (liquid-liquid extraction) selama akhir tahun 1950-an dan awal tahun 1960-an.