地球系統科學是把地球看成一個由相互作用的地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會等組成部分構成的統一系統，是一門重點研究地球各組成部分之間相互作用的科學。研究目的是了解地球系統所涉及的過程，各組成部分之間的聯系和相互作用，維持充足的自然資源供給，減輕地質災害，調節全球環境變化并使危害降到最小，獲取在全球尺度上對整個地球系統的科學理解。

　　地球系統科學的研究步驟由四部分構成：現象的觀測和數據的積累；對觀測數據進行分析和解釋，從物理、化學和生物學的規律出發，建立有關地球過程的定量關系；在前兩項的基礎上建立概念模型和數學（數值）模型（和實驗）；驗證模型，并用它對未來的變化趨勢進行統計預測和預報。

　　隨機性是復雜地球系統的重要特征之一。若地球系統中一個系統的狀態演化可用一個隨時間變化的隨機變量來描述，則稱該系統為一隨機過程。自組織是地球系統科學的一個重要概念，它是地球復雜系統演化時出現的一種現象。在地球系統實現空間、時間或功能的結構過程中，如果沒有外界的特定干擾，僅是依靠地球系統內部的相互作用來達到的，便可以說地球系統是自組織的。地球系統科學從系統局部與整體的關系出發來研究地球系統，簡單地球巨系統是研究的基礎和起點，運用地球系統自組織理論來研究簡單巨系統，使對這一類地球系統有個基本的認識。

　　地球系統科學研究的對象是從簡單性和簡單系統轉向復雜性和復雜系統，要求在方法論上實現根本轉變。概括地說，凡是不能用還原論方法處理的問題，或者需要用新的科學方法處理的問題，都是復雜性問題，復雜巨系統就是這類問題。因此，在面對復雜的地球系統問題時，總是設法把復雜性簡化掉，即把復雜性當作簡單性處理。當對象是典型的簡單系統，或者屬于不夠典型的復雜性問題時，這樣處理是可行的或近似可行的。這也是地球系統復雜性研究的主要理論基礎。

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