Родился в семье сельского церковнослужителя. В 1874 окончил духовное училище в Липецке и поступил в Тамбовскую духовную семинарию. Однако духовной карьере предпочел занятие естественными науками и в 1878 поступил на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Окончил университет в 1882 со званием кандидата и с 1883 начал служить в университете хранителем минералогического кабинета. Ученик и ближайший сотрудник В.В. Докучаева. В 1889 защитил в университете диссертацию "Железные руды центральной части Европейской России" на степень магистра минералогии и геогнозии и в том же году в качестве приват-доцента начал чтение спецкурса по химической минералогии. В 1896 защитил докторскую диссертацию "Каолинитовые образования южной России" и был избран экстраординарным профессором кафедры минералогии и кристаллографии; в последующем - ординарный, а с 1914 — заслуженный профессор этой кафедры, которой заведовал до 1926. Кроме университета преподавал и заведовал кафедрой минералогии также в Институте гражданских инженеров, Технологическом, в Женском (впоследствии 1-м Ленинградском) медицинском институте, на Фребелевских педагогических курсах.

С момента окончания университета — участник многих экспедиционных работ в различных районах страны. В 1882-1886 и в 1888-1890 участвовал в экспедициях В.В. Докучаева по изучению почв ряда губерний России, в 1886-1888 по заданию Петербургского общества естествоиспытателей и Русского минералогического общества обследовал железнорудные месторождения средней части Европейской России, в 1890-1896 во многих губерниях проводил почвенные исследования, изучал месторождения глин и гончарно-керамические промыслы. В 1899 принимал участие в экспедиции Д.И. Менделеева на Урале с целью изучения уральской железоделательной промышленности и месторождений железных руд. Экспедиционные поездки совершал и в последующие годы.

Среди ранних книг Земятченского — подробные геологические и почвоведческие описания отдельных уездов России: Лукояновского (1884), Ардатовского (1885) и Балахнинского (1886) Нижегородской губернии, Жиздринского уезда Калужской губернии (1889), Зеньковского уезда Полтавской губернии (1891), Боровичского уезда Новгородской губернии (1899), Старобельского уезда Харьковской губернии (1900). Начиная с 1899 г., Земятченский опубликовал ряд учебников по минералогии, кристаллографии, почвоведению, выдержавших по несколько изданий. Итоговым трудом можно назвать книгу Земятченского «Глины СССР. Общая часть» (1935).

С 1915 Земятченский сотрудничал в работах КЕПС при АН, руководил здесь отделом глиняных материалов.

До революции был награжден орденами Станислава 2-й и 3-й степени, Анны 2-й и 3-й степени, Владимира 4-й степени.

23 января 1919 зачислен начинающим научным сотрудником Публичной библиотеки. 23 марта избран на должность старшего помощника библиотекаря, а 3 мая — заведующий Отделением естественных наук. Помимо текущей библиотечной работы по Отделению, занимался составлением системного каталога читального зала по разделам: геология, минералогия, кристаллография. 23 июня 1919 Малый Кабинет библиотеки удовлетворил прошение Земятченского об увольнении от занимаемой должности, оставив на службе в Библиотеке "без содержания". Практически участия в работе Отделения он в дальнейшем не принимал вследствие загруженности в других учреждениях.

В 1919, продолжая преподавание в университете, Земятченский организовал и был первым директором Государственного исследовательского керамического института; с 1925 заведовал его научным отделением. Одновременно, в 1925, организовал Грунтовую лабораторию в Центральном научно-исследовательском дорожном бюро (впоследствии НИИ) при Управлении местного транспорта и руководил ею до 1930. В 1926-1934 был научным сотрудником Почвенного института АН СССР, где создал минералогическую лабораторию, которую возглавлял до переезда института в Москву.

Занимаясь исследовательской и научно-организационной работой в различных учреждениях, Земятченский продолжал преподавание в университете. Здесь в 1930 он организовал первую в стране кафедру грунтоведения, заведовал ею до 1934, когда перешел на должность профессора, оставаясь на ней вплоть до своей смерти.

Земятченский — автор более 200 научных работ. Его научному творчеству присущи многообразие и разносторонность. Труды Земятченского охватывают вопросы геологии, минералогии, полезных ископаемых. Будучи учеником и последователем "отца русского почвоведения" В.В. Докучаева, он долгие годы продолжал заниматься почвоведением. Своими многолетними исследованиями заложил основы новой отрасли геологии — глиноведения. Он выступил и как один из создателей грунтоведения. А цикл его работ по кристаллографии "Этюды по кристаллогенезису" (1909-1914) отмечен АН присуждением премии им. М.П. Ахматова.

Помимо отдельно вышедших книг, Земятченскому принадлежат многочисленные публикации в "Записках", "Известиях", "Докладах" АН, в "Трудах" Петербургского общества естествоиспытателей, Государственного исследовательского керамического института, Геологического кабинета, Всесоюзного института огнеупоров, Почвенного института, "Записках" Русского минералогического общества, Русского технического общества, в "Материалах КЕПС", в журналах "Керамика и стекло", "Техн.-экон. вестнике", "Ztschr. für Krystallographie", в трудах различных экспедиций, в изданной под ред. Д.И. Менделеева книге "Уральская железная промышленность" и др. С 1893 он — постоянный сотрудник "Энциклопедического словаря" Брокгауза и Ефрона, где ему принадлежит ок. 80 ст., а также с 1913 — в НЭС, где, помимо публикации статей, он состоял редактором подотдела "минералогия". Его учебники по минералогии и кристаллографии выдержали несколько изданий. С 1902 вплоть до 1907 Земятченский являлся редактором почти всех выпусков основанного В.В. Докучаевым издания "Материалы по изучению русских почв" (вып. 14-19, 20, 21, 23-27).

В январе 1928 Земятченский избран членом-корреспондентом АН СССР по разряду физического (минералогия) отделения физ.-мат. наук. Был членом Петербургского (Ленинградского) общества естествоиспытателей, Минералогического общества, Международного общества почвоведов. Участник съездов русских естествоиспытателей и врачей, Международного геологического конгресса (в Вене).

Погиб в блокадном Ленинграде от истощения.