D’una banda, pretén donar una descripció dels conjunts d’organismes i de les característiques del medi on viuen i, d’altra banda, analitzar les relacions causals entre aquestes característiques i la composició d’aquells conjunts d’organismes, la qual cosa implica l’estudi dels bescanvis de matèria i energia que es produeixen dins una comunitat natural.
La primera definició del terme ecologia fou donada per Ernst Haeckel (1834-1919) en la seva obra Prinzipien der generelle Morphologie der Organismen (1906), i segons ell l’ecologia és el cos de coneixements que fan referència a l’economia de la natura, és a dir, és la investigació de les relacions totals de l’animal amb el seu ambient, tant orgànic com inorgànic. Aquesta idea de l’ecologia com a economia de la natura és defensada també per autors posteriors. La complexitat del camp d’estudi de l’ecologia és ben plantejada en el llibre d’Amyan Macfadyen Animal Ecology: Aims and Methods (1957), on indica que “aquest camp no és menys ample que la totalitat de les condicions de vida de les plantes i animals observats, llur posició sistemàtica, llurs reaccions a l’ambient i a cadascun dels altres organismes, i la natura física i química de llur ambient animat”. L’estudi de les relacions dels organismes amb els factors abiòtics de llur medi ha estat anomenat autoecologia, mentre que el de comunitats d’organismes ha rebut el nom de sinecologia.
La unitat bàsica de l’estudi de l’ecologia és l’ecosistema. Actualment, l’ecologia és definida com l’estudi dels ecosistemes (ecosistema), és a dir, com una biologia dels ecosistemes. Molts dels problemes que planteja l’estudi dels ecosistemes són nous en biologia. Els conjunts d’organismes són ben diferents dels conjunts de cèl·lules que constitueixen un organisme individual i, en conseqüència, es plantegen problemes quantitatius que són específics de l’ecologia, sia al nivell de les poblacions unispecífiques o al de les relacions entre algunes poblacions o conjunts complexos de moltes poblacions i factors abiòtics. De vegades ha semblat convenient de cercar models en ciències aparentment força allunyades, però que coincideixen amb l’ecologia perquè es proposen l’estudi de sistemes formats per elements d’interacció entre ells o amb un medi més o menys organitzat. Així, per exemple, Alfred James Lotka (1880-1949), en Elements of Physical Biology (1925), assenyalava que “cal una anàlisi que consideri les unitats d’una població biològica de la mateixa manera que la mecànica estadística considera molècules, àtoms i electrons, i que tracti amb efectes mitjans, com densitat de població, pressió de població, etc., talment com la termodinàmica tracta amb els efectes mitjans de la concentració de gasos, pressió de gasos, etc...".
En aquesta línia s’han anat definint una sèrie de paràmetres sintètics de l’ecosistema que permeten de valorar el seu funcionament com un tot, és a dir, adoptar una visió “macroscòpica” de l’ecosistema. Són conceptes com els de biomassa, producció, productivitat o diversitat. En aquesta tasca d’elaboració teòrica, una de les figures capdavanteres és Ramon Margalef i López, que ha donat un gran impuls a les idees sobre organització dels ecosistemes. D’altra banda, l’elaboració i la utilització de models matemàtics complexos, molt afavorides pel desenvolupament dels ordinadors electrònics, han de permetre de continuar el progrés de l’ecologia en una línia coherent, en fer possible l’estudi d’interaccions entre conjunts complicats d’elements. Això no obstant, cal admetre que l’obra de Lotka i Volterra, amb els seus models integrats per sistemes d’equacions diferencials per a descriure els ecosistemes, gairebé no ha trobat continuació fins els darrers anys, amb els intents d’autors com Kennet E.F. Watt i George Masson van Dyne.
Actualment, a poc a poc, a partir d’uns models que esdevenien de mal aplicar davant la complexitat dels sistemes reals, hom va passant a una situació en què comença a disposar de models que, bé que encara grollers, ja són operatius. Amb l’ajut de paràmetres com els de producció i biomassa i de mesures de la riquesa en espècies (diversitat), el grau d’organització o la maduresa de les comunitats, esdevindrà possible d’augmentar la capacitat de previsió d’aquesta ciència. Deixant ara de banda els mecanismes que asseguren el funcionament de l’ecosistema, l’ecologia s’interessa també per la història dels ecosistemes, llur formació, les modificacions que s’hi produeixen, l’efecte que les catàstrofes naturals i l’acció explotadora de l’home tenen sobre els ecosistemes i, en general, tots aquells fenòmens que constitueixen la dinàmica dels ecosistemes.
La influència creixent de l’home en els sistemes naturals que l’envolten i dels quals forma part porta a una simplificació creixent d’aquests sistemes, i en algun cas, a degradacions irreversibles. L’augment enorme del consum d’energia, lligat als processos d’industrialització i a l’increment d’intercanvis, i el creixement de la població humana fan pensar que l’alteració dels sistemes naturals, i fins i tot dels sistemes simplificats que l’home explota més directament, arribarà a extrems catastròfics i irreversibles. La polèmica entorn d’aquestes qüestions, especialment forta als EUA, arribà, en molt poc temps, a preocupar seriosament tot el món: arreu aparegueren organitzacions de lluita per limitar el creixement de la població, per defensar les zones encara poc alterades, per combatre per via jurídica la pol·lució química i bacteriològica de l’aire, de l’aigua, dels sòls, etc. Molts autors defensaren la necessitat de modificar les idees imperants sobre el desenvolupament econòmic i la utilització dels recursos naturals en el sentit de privilegiar els criteris d’estabilitat sobre els de creixement. Els darrers anys aquesta preocupació s’ha accentuat a causa del convenciment que els canvis ambientals globals actuals s’estan produint a un ritme molt ràpid en termes de temps geològic.
L’any 1972 l’ONU convocà a Estocolm una conferència internacional per a l’estudi d’aquests problemes de la qual sortí l’acord de crear el programa de les Nacions Unides per a l’Environament (PNUE). Aquesta mateixa problemàtica també motivà la celebració de la cimera de la Terra a Rio de Janeiro el 1992, amb representants de diversos estats, en la qual s’esbossaren diverses línies per a afrontar la crisi mediambiental. Darrerament, els avenços en ecologia descriptiva són funció dels progressos en els camps de la tecnologia i les ciències en general, que permeten aprofundir la biologia dels organismes i el coneixement de l’estructura i el funcionament dinàmic del suport físic de l’ecosistema. També cal constatar que molts dels estudis tracten d’esbrinar el funcionament dels mecanismes i els processos implicats en els cicles biogeoquímics i en el canvi climàtic.
L’ecologia teòrica, per la seva banda, es troba amb la dificultat de lligar les propietats microscòpiques dels elements interactuants amb les de tot el conjunt. Aquesta dificultat és similar a la de la física que estudia sistemes complexos. En tots els camps de la ciència, aquesta tasca és només abordable amb ordinadors de gran capacitat, que permeten de simular sistemes relativament grans distingint un per un cada element, així com afrontar la resolució de sistemes d’equacions diferencials no lineals. En aquest sentit, totes les ciències que tracten de sistemes complexos, poden treure un bon profit del camí iniciat per Ilya Prigogine, en el camp de la teoria dels processos irreversibles lluny de l’equilibri. Aquesta teoria permet d’estudiar l’aparició en sistemes oberts d’estructures espacials i temporals de nivell macroscòpic que solament depenen de les propietats microscòpiques dels elements interactuants. Aplicada a l’ecologia, aquesta teoria fonamenta els conceptes d’organització, estructuració i successió en l’ecosistema. En l’estudi d’aquests conceptes hom ha aplicat també principis variacionals estudiant les condicions d’optimació d’alguns paràmetres sintètics de l’ecosistema, com ara biomassa, producció, productivitat, diversitat, etc. Una altra dificultat amb què topa l’ecologia teòrica és la unificació en una sola formalització de conceptes que són comuns a diverses ciències, i que conflueixen en l’ecologia. Així, per exemple, el problema de la formalització del concepte d’informació de manera compatible amb el bescanvi de matèria i energia, ha estat plantejat per Ramon Margalef en el seu llibre La biosfera: entre la termodinámica y el juego (1980). Darrerament, l’ecologia teòrica ha pres un nou impuls gràcies als avenços en el camp de la ciència dels sistemes complexos i a la incorporació creixent del concepte espai en els models que intenten explicar la dinàmica ecològica.