一定空间中的生物群落与其环境组成的系统，其中各成员借助能流和物质循环形成一个有组织的功能复合体。“系统”一词有两层基本含义：一是它由一些相互依赖、相互作用的部分所组成；二是这些部分按照一定的规律组织在一起，从而使这个整体具备了统一的功能特征。把生物与环境视为一个统一整体的概念非常古老，但根据生物学研究而明确提出这种观念则只有 100多年历史。德国学者默比乌斯1877年提出“生物群落”概念时，最初便有环境的含意。美国学者福布斯1887年提出“微宇宙”。“生态系统”一词是1935年由英国生态学家坦斯利提出的，与此概念相近的还有前苏联学者苏卡乔夫1940年提出的“生物地理群落”。
生态系统概念一经提出，很快为生态学家普遍接受。但由于生态系统的研究规模大并且要求综合研究手段，这在当时的物质技术条件下是很难满足的，所以在最初的20多年间研究的范围比较小。直到20世纪60年代，人口、资源和污染等问题受到广泛重视之后，生态系统概念才开始在人类实践活动中发挥出越来越大的作用。当今，无论小面积的害虫防治、山林管理，还是大范围的农业规划、水土保持，甚至全国性的国土整治等问题，都需要从生态系统的观点来考虑。生态系统理论已成为现代环境科学的基石。
结构
一般由3方面描述，即营养结构、空间结构和时间结构。
一、营养结构
生产者主要是绿色植物，能利用简单的无机物质制造复杂的有机物；消费者主要是动物，以植物或其他动物为食，又分为一级消费者（植食动物）、二级消费者（肉食动物）、三级消费者（顶级肉食动物）；分解者主要是微生物，将动植物死体及排遗物中的复杂的有机物分解还原为简单的无机物，供生产者重新利用，它们又称为还原者。从消费食物的角度看，它们也属于广义的消费者。
生物之间一物以他物为食的循环递进的连锁关系称为食物链。例如，草原上可以见到牧草→植食动物→肉食动物→大型肉食动物的链锁，这种从植食动物吃活植物体开始的食物链，称为牧食食物链。在森林中，每年新生长的枝叶，只有不到1/10被植食动物消耗，大部分都落在地面被微生物分解。这种从微生物分解动植物死体有机物开始的食物链，称为碎屑食物链。当然，这种食物链不限于森林中，一切动植物尸体及排遗物都要经此途径分解为腐殖质或简单的无机物质。自然界中的许多食物链彼此交织形成复杂的网络状营养结构，称为食物网。
在营养结构中，生产者是系统中其他生物的营养来源，属第一营养级；作为一级消费者的植食动物属第二营养级，依此类推。但实际上对具体物种进行营养分级只能是相对的。例如一个杂食动物可能同时占若干营养级，微生物可能分解生产者和各级消费者的尸体和排遗物，所以通常也只笼统称为“次级”消费者而不再细分。
二、空间结构
草原、森林、湖泊、海洋等自然生态系统在空间上可区分出两个营养层次：上面的吸收阳光进行光合作用的自养层和下面的异养层。自养层，其中生产者的生产过程占优势，在水域中就是日光能透入的光亮层，在陆地上就是植被的株冠。异养层，以动植物死体及排遗物的分解过程为主，在水域中就是无光带和水底的沉积带，在陆地上就是落叶层和土壤的上部。
自然生态系统还有另一种垂直分层，往往是以植物生活型为标准划分的。森林生态系统尤其是热带雨林，具有复杂的垂直分层结构，如乔木层、灌木层、草被层、地被层等。而草原和荒漠生态系统的分层结构就比较简单。
三、时间结构
由于日光、温度和其他自然因素的昼夜周期变化，生态系统中大部分生物成员的活动表现出昼夜的周期性。例如有的动物白天活动，有的夜间活动，还有的在晨昏活动，这使生物群落的面貌在一昼夜中有明显改变。同时，季节周期性也是大多数生物群落的特征。一年四季，生态系统的结构发生明显而有规律的变化。例如夏季的食物网就与冬季的食物网明显不同。
分类以根据物质和能量能否跨越其边界而划分为3种基本类型：物质和能量都不能跨越边界的系统称为隔离系统；物质不能跨越边界而能量可以出入的系统称为封闭系统；物质和能量都能自由出入的系统则称为开放系统。如果把整个地球的生物圈看作一个生态系统，则系统中经常有能量出入，但除陨石和火箭等形式外几乎没有物质流动，因此，可将其看成是封闭系统。地球上一切局部的生态系统，不仅在邻近系统间有物质交换，通过大气和河流，物质还可以在全球范围内移动，因此都属于开放系统。
生态系统的范围有大有小。最大的是生物圈，包括地球上的一切生物；小的如一块草地、一个池塘等，甚至还有人把海洋、湖泊中的一滴水也看作一个生态系统。很多密切关联的小系统又可以组合成一个大系统。有时因研究需要，还可以把任意划定的一个范围当作一个系统，研究有关的生态现象。一般说来，一定的生物群落总生存在一定的自然环境内，其中的生态关系也具有相应的特点。因此人们常按生境和植被来划分各类生态系统。例如生物圈中有陆地生态系统、海洋生态系统和淡水生态系统；陆地生态系统中又进一步分为森林、草原、荒漠、冻原等生态系统；森林生态系统又有针叶林、阔叶林、混交林，等等。这样划分的自然生态系统之间常常没有截然的分界线，彼此重叠的区域称为群落交错区。同类系统内部的自然条件、物种组成以及生态关系都是比较相近的，系统与外界间的能流和物质交换有时还有一定的间断性。除自然系统外，还有人工生态系统，如农田、城市、宇宙飞船的密闭舱等。人工系统的边界一般比较明确。由于当今的人类活动几乎影响到生物圈的每个角落，因此自然系统与人工系统之间往往也不能划一条绝对的界线，只是二者受人类影响的程度有所不同而已。有一类人工生态系统是模拟自然系统制造的实验系统，完全由人工控制，具有作为生产者、消费者和分解者的生物，如人工气候室、小宇宙、恒化恒浊装置等。这些系统一般较小，常称做微生态系统。
功能
生态系统的功级指系统水平的生命活动，也就是生态系统的整体代谢。一般包括能量流动、物质循环、稳态调节与信息流三个方面。
一、能量流动
生态系统中的食物链实际反映了系统中的能量流动。在森林中，绿色植物以日光为能源，吸收空气中的CO2及土壤中的养分，制造构成自身的生命物质。植食动物吞吃绿色植物，肉食动物又捕杀植食动物，它们都利用食物中的能量维持自身的生命活动。一切动植物死亡后都在一定的条件下被微生物分解。微生物依靠分解所释放的能为生，为解过程又把各种复杂的有机物质还原为绿色植物能重新利用的无机物质。在这个过程中，太阳能是一切生命活动的初始能源，它以化学键的形式在食物链中传递，并在逐级分解过程中释放出来，最后以热的形式散失。这是一个能的单向流动过程。研究能在生态系统中的动态规律，研究它如何从一种形式转变为另一种形式，以及它在流动过程中的数量变化和利用效率等，是生态系统的功能研究的主要内容。
在生态系统中，能由光能经化学能到热能不断地转换形式，但总量不变。因此可以用数学等式来表示。按照热力学第二定律，当能量由一种形式转换为另一种形式时，总有一部分能量转化为热能的而耗散。在生态系统中，植物接收大量光能，但平均只有不到2%的能量转换为生命物质中的化学能；其余的或者反射掉，或者转换为热能而散失。曾有人列举最适条件下的光合效率。在热带的或温带仲夏的无云天，太阳辐射能的最大输入可达 7000千卡/（米2·天）。但只有39.1％的入射光被吸收，而形成碳水化合物的只有9.1％，相当被吸收光能的23.2％，这就是总初级生产量，再减除植物的呼吸消耗，则净初级生产量只有入射光的6.8％，相当被吸收光的17.4％，约合120克/（米2·天）。这是最大光合效率的估计值，实际测定的最大值只有54克/（米2·天），只占入射光的3.1％，相当被吸收光的7.9％。一般实测值均远低于最高估计值，这说明净初级生产量还有其他限制因素：在陆地有水、湿度、营养物质和植食动物等；在水域，则与水的透明度有关。
植物提供的净初级生产量成为消费者的食源，而前一级消费者又成为后一级的食源。但因种种情况，牧食食物链中传递的能量逐级减少，一部分为各级生物呼吸消耗和用于生长或生殖，一部分转入碎屑食物链为消费者消耗和利用，还有一部分未得利用而暂时堆积地面。
应指出，未被植物固定的能量以及在能流过程中以热能形式逐级散失的能量并不全是浪费。生物需要一定的环境温度才能生存；生态系统的物质循环需要水流、气流来带动。这两者都要由热能来提供。
无论整个生态系统还是某一个营养级，都有一定的现存生物量。如果能量输入和输出相平衡，现存生物量稳定不变；如果输入大于输出，则生物量增加，造成积累；如果输出大于输入，则生物量减少，造成亏损。
二、物质循环
物质循环与源自太阳的单环向能流不同，生物代谢所需的物质只能取自周围环境，这些物质通过生物的排遗或死体分解又送还到自然界，在有限的范围内反复使用而形成循环。虽然有些气态或水溶性物质可随气流、水流传到远处，但就全球范围来讲物质只能是循环的。化学物质在生物体与环境间的循环称为生物地球化学循环。
现已知道，自然界92种化学元素中有30多种是生命所必需的。其中较为重要且需量较大的有氧、氢、碳、氮、磷、硫等几种。
地球表面的一切物质均以分子状态存在，有气态、液态和固态3种形式。一般说来，地面生物都存在于大气之中，大气可以在大范围内自由流动，因此气态分子最便于生物摄取。水也是以气态飘至内陆的，但降雨后液态水却只能往低处流，很多水溶性物质只能随河流单向入海。固态分子活动性最小，很多要溶成液态后才能被生物吸收。
人们常把物质的循环过程描绘成由一个“库”流动到另一个“库”。例如在碳循环中，气态CO2可看作是一个库，化石燃料中的固态碳又是一个库。对于生物来讲，物质的库首先必须是便于摄取的，例如在地面，气态库是最方便的；其次，库的储量必须足够大才能保证稳定的供应，在这方面，气态库也比较优越，因为大气的流动能使局部的消耗迅速得到补充；第三，库中的物质必须能为生物所利用。