La scienza del sistema Terra cerca di integrare vari campi di studio accademico per comprendere la Terra come sistema. Essa considera l'interazione tra l'atmosfera, l'idrosfera, la litosfera (geosfera), la biosfera, e l'eliosfera.Nel 1996, l'Unione geofisica americana, in cooperazione con il Consorzio di geologia Keck e con il supporto di cinque divisioni all'interno della Fondazione nazionale delle scienze, convocò un seminario "per definire obiettivi educativi comuni fra tutte le discipline delle scienze della Terra". Nella sua relazione, i partecipanti notavano che "I campi che compongono le scienze della Terra e dello spazio stanno attualmente subendo un importante avanzamento che promuove la comprensione della Terra come una serie di sistemi interconnessi." Riconoscendo l'ascesa di questo approccio sistemico, la relazione del seminario raccomandava che fosse sviluppato un corso di scienza del sistema della Terra con il sostegno della Fondazione nazionale delle scienze.

L'ipotesi Gaia è un'ipotesi formulata per la prima volta dallo scienziato inglese James Lovelock nel 1979 in "Gaia. A New Look at Life on Earth" e co-sviluppata dalla microbiologa Lynn Margulis negli anni '70. Secondo tale ipotesi gli organismi viventi sulla Terra interagiscono con le componenti inorganiche circostanti per formare un complesso sistema sinergico e autoregolante che aiuta a mantenere e perpetuare le condizioni per la vita sul pianeta. Lovelock nominò tale ipotesi in onore a Gaia, la dea primordiale che personificava la Terra nella mitologia greca. Gli argomenti sui quali si basa l'ipotesi includono come la biosfera e l'evoluzione degli organismi influenzino la stabilità della temperatura globale, la salinità dell'acqua di mare, i livelli di ossigeno atmosferico, il mantenimento di un'idrosfera di acqua liquida e altre variabili ambientali che influenzano l'abitabilità della Terra. L'ipotesi Gaia è stata inizialmente criticata per essere teleologica e contro i principi della selezione naturale. Sebbene i perfezionamenti successivi abbiano allineato l'ipotesi Gaia con idee provenienti da campi come la scienza del sistema Terra, la biogeochimica e l'ecologia dei sistemi, l'ipotesi Gaia continua ad nutrire critiche, e molti scienziati la considerano solo debolmente supportata, o in contrasto con le evidenze sperimentali.La biologa Lynn Margulis ha dato la sua adesione all'ipotesi Gaia, ma prendendo le distanze da Lovelock, a suo avviso troppo influenzato dal vitalismo. Nel 2006 la Geological Society of London ha assegnato a Lovelock la medaglia Wollaston anche per il suo lavoro sull'ipotesi Gaia.

L'Ecosistema terrestre è una locuzione ambivalente che, in determinati contesti, può anche assumere un significato ambiguo o non scientifico. Può indicare genericamente l'insieme di tutti i singoli ecosistemi presenti sulla Terra, ma in altra accezione può esprimere il concetto o teoria secondo cui l'intero pianeta, nella sua globalità, sia un macro-ecosistema dal comportamento assimilabile a quello dei sistemi viventi, come nell'ipotesi Gaia. Nel primo caso Ecosistema terrestre è dunque un sinonimo approssimativo del termine scientifico "ecosfera".

La biosfera è definita in biologia come l'insieme delle zone della Terra in cui le condizioni ambientali permettono lo sviluppo della vita (da non confondersi con l'ecosfera, definita in ecologia come l'insieme delle zone della Terra in cui le condizioni ambientali permettono la formazione e lo sviluppo degli ecosistemi). Queste zone in cui si sviluppa la vita, che si pensa sia nata almeno 3,5 miliardi di anni fa, includono la porzione esterna della litosfera (suolo e parte del sottosuolo), l'idrosfera (le acque marine, lacustri e fluviali), ed i primi strati dell'atmosfera (fino ad un'altitudine di circa 10 km). Comprendendo quindi nella biosfera le profondità oceaniche ed i primi strati dell'atmosfera si raggiunge uno spessore massimo di circa 20 km, che, confrontato col raggio terrestre, di circa 6371 km appare ben poca cosa (In proporzione meno dello spessore della buccia di una mela rispetto alla dimensione della mela intera). Tale spazio limitato nel quale l'uomo e le altre specie possono vivere rende la biosfera estremamente preziosa e delicata.