地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。因此，地理信息系统具有以下三个方面的特征：
1.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
2.以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息；
3.由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；计算机系统的支持是GIS的重要的特征，使GIS得到快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。
地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真，地理学家可以在GIS支持下提取地理系统不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速地模拟自然过程的演变和思维过程，取得地理预测和实验的结果，选择优化方案，避免错误的决策。
当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他面对的就不再是毫无意义的数据，而是空间数据组成的客观世界的一个抽象模型，它比地图所表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度指标，更为重要的是，它可以将自然发生或人为规划的过程加在这个数据模型上，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的深刻的内涵。
地理信息系统按其内容可以分为三大类：
1.专题地理信息系统：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。
2.区域地理信息系统：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。可以有不同规模，如国家级的、地区或省级的、市级或县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国橡树岭（OakRidge）地区信息系统、圣地亚哥县信息系统、我国黄河流域信息系统等。
许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、上海市环境管理信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。
3.地理信息系统工具：它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门研究的，或者在完成实用地理信息系统后抽去具体的区域或专题的地理空间数据后得到的，这些软件适于用来作为地理信息系统支撑软件以建立专题或区域性的实用性地理信息系统，也可用作教学软件。由于地理信息系统软件设计技术较高，而且重复编制比较复杂的基础软件也造成人力的极大浪费，因此采用地理信息系统工具，无疑是建立实用地理信息系统的一条捷径。目前地理信息系统工具的研究还不十分成熟，在功能覆盖、应用程序接口、硬件适应面和使用灵活性上还不能满足不同领域不同层次的需要，但随着人们对它的重视和研究工作的开展，水平会大大提高，成为类似商用的数据库管理系统（如dBASEIII等）的软件工具。
国内外已在不同档次的计算机设备上研制了一批地理信息系统工具，如美国环境系统研究所研制的ARC/INFO系统，美国耶鲁大学森林与环境研究学院的MAP（Map Analysis Package）系统，以及北京大学研制的微机地理信息系统工具Spaceman等。