生物所需的物质如水和碳、氢、氧、氮、硫、磷、钙、镁、钾、钠、氯等元素，在生态系统中不是像能量一样单向传递，而是反复利用，所以物质的传递称为循环。生态系统中这些无机物质的循环既涉及各营养水平的生物，也涉及大气圈、地圈和水圈（即生物群落与无机环境之间反复循环），所以称为生物地球化学循环，又叫生物地化循环。在生态系统中能量不断流动，而物质不断循环。
根据途径不同，生态系统的物质循环可分为水循环、气体型循环和沉积型循环三种类型。
水的主要循环路线是从地球表面通过蒸发（包括植物的蒸腾作用）进入大气圈，同时又不断地通过降水从大气圈返回到地球表面。每年地球表面的蒸发量与全球降水量基本上是相等的，因此，这两个相反的过程处于一种动态平衡之中。水循环对生态系统具有非常重要的意义，任何生物的生命活动都离不开水。水携带着大量的矿质元素在全球周而复始地循环，和大地共同影响着各类营养元素在地球上的分布。此外，水还有调节大气温度等重要生态作用。
气体型循环包括氮、碳和氧等元素的循环。在气体型循环中，物质的主要贮存库是大气和海洋，循环过程与大气和海洋密切相关，具有明显的全球性，循环性能也最为完善。它属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体形式参与循环。
沉积型循环包括磷、硫、钙、钾、钠、镁、铁、碘、铜等物质的循环。这些物质的分子或化合物没有气体状态，其贮存库主要是岩石、沉积物、土壤等，与大气没有密切联系。这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解，转变为可以被生物利用的营养物质，转化的速度是缓慢的，而海底沉积物转化为岩石圈成分更是一个缓慢的过程，时间以数千年计。由于这些物质不是以气体形式参与循环的，因此，循环的全球性不像气体型循环表现得那么明显。
气体型循环和沉积型循环虽然具有不同的特点，但是，它们都受到能量的驱动，并且都依赖于水的循环。
生物圈水平上的生物地化循环研究，主要是研究水、碳、氧、氮、磷等元素的全球循环过程。人类活动对生物地化循环产生的巨大影响，使这方面的研究尤为重要。与自然发生的循环过程相比，人类对生物地化循环的干扰可以说是有过之而无不及。例如，人类活动已经使大气中的二氧化碳含量明显增加；排入海洋污水使海洋的汞含量已经增加了1倍；铅输入海洋的速度大约相当于自然过程的40倍。