生物圈最早由奥地利地质学家爱德华·苏威斯（e.suess）于1875年提出，本来是一个地质学词汇，20世纪20年代被赋予生态意义。今天，生物圈概念集合了生物学、天文学、地球物理学、气象学、生物地理学、环境科学、地质学、地质化学、水文学等多项科学内涵。
生物圈，顾名思义指的是有生命的圈层。地球上凡是有生命活动的区域，包括肉眼看不到的微生物，自下而上分布的地方都是生物圈的范围。该范围包括：大气圈底部、水圈大部、岩石圈表面、生物土壤圈和水圈。上至海平面以上约10公里的高空空间，下至海平面以下11公奥深处。生物圈是地球特有的生命圈层，也是人类诞生和生存的空间，而人类活动对生物圈的影响越来越大。如果把地球看作10个足球直径大小，那么生物圈比一张纸还要薄。
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从地质学的角度来看，生物圈是由所有生物以及空间环境的全球各类生态系统所组成，包括生物与岩石圈、水圈和空气的相互作用。按照目前人类的认知水平，地球是目前宇宙中唯一已知有生物分布的地方。
一般认为，生物圈是从40亿年前自生命起源后演化而来，而地球的年龄约为46亿年。地球是生物起源和进化的理想环境。已知的生命现象都离不开液态水。地球自转使地表温度足以维持液态水的存在；地球引力保证了大部分气态分子不致逃逸到太空去；地球磁场屏蔽了一部分高能射线，使地表生物免遭伤害，这一切为生命存在提供了可能性。地球现存的各种生物，都是几十亿年生物进化的结果，是生物与环境长期交互作用的产物。
当地球刚出现生命的时候，原始大气还富含甲烷、氨、硫化氢和水汽等含氢化合物，属还原性气体，大部分生物都不能在其中生存。后来出现了蓝藻，它可以通过光合作用放出游离氧，使大气含氧量逐渐增多，变为氧化性气体，为需氧生物的出现提供了有利条件。随着氧气的增多，在高空出现了臭氧层，阻止紫外线对生命的辐射伤害，于是过去只能躲在海水深处才能存活的生物就有可能发展到陆地上来。生物初到陆地上，遇到的只是岩石和风化的岩石碎屑，大部分高等植物不能赖以生存。在低等植物、微生物和岩石风化长期作用下，才形成了肥沃的土壤。生物进化的结果最终出现了广布世界的各种植物，栖息其间的各种动物和微生物，逐步形成了生物圈。
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生物圈演化，指的是地球生物圈在漫长地质年代所发生的变化。因为生物圈是地球上有生命存在的特殊圈层，所以它的出现是从地球上生命起源开始的。生物圈演化是生物进化和生物与环境相互作用的结果，以及由此引起的生物圈进化。生物圈进化可以用生态系统进化来描述：
第一，生命在地球上诞生，单级生态系统出现。它是由原始异养生物和原生环境（原始海洋和原始大气）构成的自然生态系统。
第二，单级生态系统演化为二级生态系统。20亿年前，绿色藻类出现，标志自养生物的出现，单极生态系统演化为具有自养和异养两种生物的生态系统。它导致地球大气中氧的出现，氧化性大气形成之后，原生生物圈发展为次生生物圈。
第三，三级生态系统出现。6亿多年前，多细胞动物出现，完成了二级生态系统向三级生态系统的发展，形成生产者（植物）消费者（动物）和转化者（微生物）的三级结构，奠定了生态系统演化的基本格局。
第四，人类诞生引发地球生物圈演化质变。人通过自己的活动把天然生态系统改变为人工生态系统，人类智慧指导下的劳动，导致生物圈根本变化，从而使人成为生物圈演花的重要因素。生物圈由生命物质、生物生成性物质和生物情性物质三部分组成。生命物质又称活性物质，是生物有机体的总和；生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相互作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等；生物情性物质是指大气低层的气体、沉模岩、黏土矿物和水。
地球与太空几乎没有物质交换，但却接受大量太阳辐射能。太阳能是维持一切生命活动的原动力，能量在生物圈中逐级传送，最后以热能形式散发到太空。光是太阳的辐射能以电磁波的形式投射到地球表面的辐射线，太阳辐射能是地球上一切能量的最终来源。到达地球上的太阳辐射能是十分巨大的。据统计，太阳散发的能量每秒钟达到3.75×10°焦茸，而其中只有22亿分之一到达地球，尽管如此，地球每秒钟获得的能量仍然相当于燃烧500万吨优质煤所发出的能量。
太阳辐射能先通过光合作用被植物体固定下来，然后以化学能的形式沿食物链逐级传递；动物和微生物的取食活动就是传递能量的方式。一般来说，化学元素进入生物体内是靠生物的主动摄取，而化学元素在自然界中的循环运动则是由气流和水流来完成的。陆地生物生存于大气之中，气态营养物和废物很容易在生物与环境间循环运动。一般可溶性物质是随水进出生物体的。就全球来讲，江河中所携带的可溶性物质，随水流由高向低移动，最后归入湖泊和海洋。当湖水和海水蒸发时，这些物质被留下，最终形成沉积物。
生物圈中最活跃的部分为生物，生物是物质运动的最高形式。生物圈里繁衍着各种各样的生物，为了获得足够的能量和营养物质以支持生命活动，在这些生物之间，存在着食物链关系。生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。生物圈的运转原理如下：
(1)获得足够太阳能并转化为化学能。一切生命活动都需要能量，能量的基本来源是太阳能（万米以下深海生物除外，那里的生物利用地热能)；绿色植物吸收太阳能合成有机物而进入生物循环；源源不断的太阳能是生物圈维持正常运转的动力。太阳能转变为生物能够利用的化学能，是通过绿色植物光合作用实现的。光合作用是地球上唯一能够在常温、常压下发生的能量转化与物质合成的生物化学反应，其生产过程不排放污染物，所合成的光合产物能够自然降解，至今人类还无法模拟。没有光合作用，就没有生物圈，也谈不上人类社会及其创造的文明。作为生态系统中最重要组分的生产者，绿色植物进行的光合作用奠定了生态系统最基本的特征，即能量流动与物质循环。
（2）有效利用水分。地球素有“水的行星”之称，地球表面约有70%以上被水所覆盖地球总水量约为14.5亿立方公里，其中94%是海水，其余则以淡水的形式储存于陆地和倾城:两极的冰山中。生物起源于水，然后登陆，但依然离不开水。几乎所有的生物全都含有大量水分，没有水就没有生命。植物体的含水量一般为70%~80%，有些植物则可达90%以上；而种子的含水量<10%；细胞壁的含水量在8%左右。 （3）在适宜生命活动的温度条件下运转。在温度变化范围内的物质存在气态、液态利固态三种变化。生物体内的生物化学过程必须在一定温度范围内才能正常进行。一般说来，生物体内的生化反应会随着温度的升高而加快，从而加快生长发育速度；生化反应也会随温度的下降而变缓，从而减慢生长发育的速度。 （4）提供生命物质所需的各种营养元素。包括氧气、二氧化碳、氮、碳、钾、钙、铁、硫等元素，它们是生命物质的组成或中间产物。生物圈内生产者、消费者和分解者所形成的三级组分，接通从无机物到有机物，经过各种生物的多级利用，再分解为无机物重新利用的完整循环。 （5）生物圈具有自我调节能力。例如，大气中二氧化碳含量增加时，会使植物加强光合作用，增加对二氧化碳的吸收；一种生物绝灭后，生物圈中起相同作用的其他生物就会取代它的位置；某种植食性动物数量增加时，有关植物种群和天敌种群的数量也随之变化，从而使这种动物种群的数量得到控制。作为地球上最大的生态系统，生物圈的结构和功能可以长期维持相对稳定状态，这一现象称为生物圈的稳态。生物圈虽然具有自我维持稳态的能力，但是，这种能力是有限度的。人类活动在许多方面对生物圈造成的影响已经超过这种限度，对生物圈的稳态构成严重威胁。 人已经不是传统生物链上的成员，而是生物圈中占统治地位的物种，能大规模地改变生物圈。然而，人类毕竟是生物圈中的一个成员，必须依赖于生物圈提供一切生活资料。人类对生物圈的改造应有一定限度，超过限度就会破坏生物圈的动态平衡，造成严重后果。在地球上出现人类以后大约300万年的时期里，人类与其周围的生物和环境处于合理的平衡之中。 自从人类学会栽培植物，随着农业技术和贮存方法的改善，人类生活不再局限于天天采集必需的食品，而能够从事更多的创造性活动。随着生产力提高，人口逐渐增加并向城市集中，制造商品的手工业日益发展，人类活动对环境的影响和冲击也日益增加。尤其是工业革命以后两三百年来，开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等规模迅速扩大，生物圈面貌也发生了极大变化。这种变化不仅影响着其中的其他成员，也对人类自身产生巨大影响。 世界人口正以大约35年翻一番的速度猛增，但地球上可耕土地却是有限的，这必然造成全球范围的粮食问题。滥垦、滥牧、滥伐的日益严重，建设用地的高速扩展，都使全球植被减少。随之而来的后果是大范围的水土流失，耕地质量下降甚至发生荒漠化；失去了植被调节气候的作用，气温波动增大，水旱灾害增多；太阳辐射被反射散失的成分增加，绿色植物固定二氧化碳、产生氧气的能力随植被减少而降低。水域捕捞也已接近极限，某些鱼类多次大规模减产。化石燃料是现代工业的基石之一，但它的蕴藏量毕竟是有限的。随着使用速度的日益增长，燃料危机不断加剧。大量开采地下能源和矿物，并焚烧或加工化工产物，造成了大量环境污染物，严重威胁了地球生物圈。 生物圈是一个统一的整体，是人类及其所有生物共同的家园。人类必须明白，人也是生态系统中消费者的一员，人的生存和发展离不开整个生物圈的繁荣，但人类对地球生物圈的破坏超过所有的物种。当地球被人类破坏得不适应人类自身需求，而被淘汰出地球，即人类这个物种也灭绝的时候，一些更强适应力的物种将还会继续存在，生物圈会重新开始其慢吞吞的演化。因此，保护生物圈就是保护人类自己的家园。