地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地慢、地核）和生物圈（包括人类）组成的有机整体。地球系统科学就是研究组成地球系统的这些子系统之间相互联系、相互作用的机制、地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间，时间尺度从几百年到几百万年。
地球系统科学是从传统的地球科学脱胎而来的。人类的生活要从环境中获取食物、能源，故必然关心所居住的环境，对所立足的地球产生求知欲，于是逐渐形成了地球科学的各分支，如气象学、海洋学、地理学、地质学、生态学等。然而，它们是对地球的某一组成部分的分门别类的研究。随着研究的深入，形成了各自的研究方法、手段和目的。但是，由于地球的空间广域性，形成它的时间悠久性和组成其要素的复杂性，进行分门别类的研究，尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球，越来越为有识之士所倡导。于是，在20世纪80年代中期，特别以美国地球系统科学委员会（Earth System Science Committee）在 1988年出版的《地球系统科学》一书为标志的“地球系统科学”思想和概念被明确提出。事实上，本世纪六七十年代在中国兴起的对自然地理各要素进行综合研究的思想，可以看作是（表层）地球系统科学的萌芽。只是后者涉及的范围、领域更广，时间更长，系统的方法和现代技术手段更加先进和完善而已。
地球系统科学是应人类面临的根本生存环境危机——全球变化的严峻挑战而兴起，在近年诸多高新技术在地学上的应用研究而促进其发展，它反映了现代人类对人-自然界关系的哲学理念。但是，概念尽管已提出，行动却尚有不少困难。首先就是面对这个复杂、开放的巨系统，如何能适时地、多周期地获取系统多参数的海量数据？同时，又如何对海量数据进行整合、集成以及选取合适的参数进行数学建模？模型又如何能适时地检验？如何对全世界成千上万的地学实验室、科研机构、大专院校的科学研究成果和获取的宝贵数据能进行共享、交换？这些问题均有待解决。地球系统科学又面临困境。幸运的是，地球系统科学由于现代工程技术科学的参与与支持，将出现一场新的技术革命。数字地球就是这场技术革命的集中体现，它有望给地球系统科学带来研究方法、手段的革命性变化。