虚拟地球系统的关键理论，主要有虚拟建模理论和可视化理论。
1．面向数字地球系统的虚拟建模理论
虚拟地球技术系统的主要任务之一是要创建一个合适的信息处理环境。面向对象的建模方法是虚拟地球系统的基本建模方法，现有建模理论是不能满足数字地球的需要的。
1）面向多维空间信息建模
除了三维空间信息外，还有时间维和属性维。起码有五维。要建立多维对象之间的关系，而过去侧重于二维空间。
2）基于多重智能体虚拟环境模型
传统的面向对象的建模方法难以简化系统设计，反而增加系统负载。智能体则比对象更接近于自然界的实体。它不仅具有对象的数据封装、继承和方法，还具有行为决断、生命周期控制等特点。基于多重智能体的建模将大大简化虚拟系统控制，提高系统效率。智能体抛弃对象的消息通讯机制，大大降低控制系统的负载。而且智能体的生命周期自控，可降低系统资源的占用。
基于多重智能体的建模理论将研究虚拟地球系统中所出现的各种实体对象和关系，抽象并建立针对不同实体和关系的智能体，并在此基础上形成一系列可用于描述数字地球系统的可计算的多智能体模型。
3）数字地球系统的虚拟建模语言规范
建模语言不但是一种快速有效的建模工具，同时又给虚拟系统的各个不同应用之间提供了一种信息交换标准。现有的虚拟现实建模语言（VRML）主要面向三维空间场景描述；数字地球系统中所涉及的对象，除了具有三维空间信息以外，还具有时间和多重属性等信息。这些对象不同于以往系统中的三维实体，而是具有五维或者超五维信息的对象。在深入研究面向数字地球的建模理论同时，应该基于该理论抽象出一套面向数字地球的虚拟建模语言规范，定义新的对象层次结构和适合于地学对象造型的方法，提供与现有地理信息数据交换的妆。
2．面向数字地球的可视化关键技术
数字地球的建模理论涉及到多方面的可视化建模理论和信息可视化技术，对于数字地球，需要在以下几个关键基础理论方面有深入研究：
1）多维动态时空信息可视化理论
虚拟地球系统中所涉及的对象的各种信息之间息息相关，要更有效地、更合理地描述对象和建立多维对象之间的关系，就应该舍弃旧的把空间和其他信息割裂开来的建模理论，综合考虑对象的多维时空信息，研究地学对象的多媒体表现和虚拟地球系统的可视化方法。
2）无级比例尺数字地面模型生成和显示
研究基于高精度地理数据多分辨率（无级比例尺）地面模型的生成与显示技术，包括大跨度比例尺由粗到细的显示浏览、多分辨率数据的管理、不同分辨率模型的平滑过渡和无级变换、时间受限的分辨率模型的平滑过渡和无级变换、时间受限的分辨率模型的选择，并对各种交互技术进行研究。例如，对三维地形模型的无级比例尺的研究。
3）数字地面模型智能化信息提取和恢复理论
数字地球涉及的数据规模非常之大，现有的机器处理能力和网络传输能力都不能满足要求。而同时，具体的应用并不涉及具有全部细节的信息。这里，尤以数字地面模型最为突出。所以，我们不必针对全部细节的信息进行处理，而要面向具体的应用，研究适合计算机模拟的数字地面模型的多种获取方法，包括地面模型海量数据（如卫星遥感图像等）的关键特征的智能提取、综合处理和存储，并研究根据关键特征重建数字地面模型的方法。例如，研究用人工生命思想确定种子（关键信息）及生成数字地面模型的规律。