地球系统科学是把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和人类社会等组成部分构成的统一系统，是一门重点研究地球各组成部分之间相互作用的科学。研究目的是了解地球系统所涉及的过程，各组成部分之间的联系和相互作用，维持充足的自然资源供给，减轻地质灾害，调节全球环境变化并使危害降到最小，获取在全球尺度上对整个地球系统的科学理解。

　　地球系统科学的研究步骤由四部分构成：现象的观测和数据的积累；对观测数据进行分析和解释，从物理、化学和生物学的规律出发，建立有关地球过程的定量关系；在前两项的基础上建立概念模型和数学（数值）模型（和实验）；验证模型，并用它对未来的变化趋势进行统计预测和预报。

　　随机性是复杂地球系统的重要特征之一。若地球系统中一个系统的状态演化可用一个随时间变化的随机变量来描述，则称该系统为一随机过程。自组织是地球系统科学的一个重要概念，它是地球复杂系统演化时出现的一种现象。在地球系统实现空间、时间或功能的结构过程中，如果没有外界的特定干扰，仅是依靠地球系统内部的相互作用来达到的，便可以说地球系统是自组织的。地球系统科学从系统局部与整体的关系出发来研究地球系统，简单地球巨系统是研究的基础和起点，运用地球系统自组织理论来研究简单巨系统，使对这一类地球系统有个基本的认识。

　　地球系统科学研究的对象是从简单性和简单系统转向复杂性和复杂系统，要求在方法论上实现根本转变。概括地说，凡是不能用还原论方法处理的问题，或者需要用新的科学方法处理的问题，都是复杂性问题，复杂巨系统就是这类问题。因此，在面对复杂的地球系统问题时，总是设法把复杂性简化掉，即把复杂性当作简单性处理。当对象是典型的简单系统，或者属于不够典型的复杂性问题时，这样处理是可行的或近似可行的。这也是地球系统复杂性研究的主要理论基础。

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