自然環境可分為四個圈層：生物圈、大氣圈、水圈和岩石圈，總稱生態圈，這是經過漫長的演化而形成的。各圈層之間有著複雜的物質交換和能量交換。
根據放射性同位素方法推算，地球的年齡約為46億年，自然環境發展曆史可劃分為地球的形成、生物的形成和人類的出現三個階段。
地球的形成地殼內部大量放射性元素的裂變和衰變所釋放出的能量的積聚和迸發，隕星對地表的頻繁撞擊等，導致了地球火山的強烈活動，使地球溫度升高到出現局部熔融，重元素沉入地心，輕物質浮升到地表，逐漸形成地殼（岩石圈）、地幔和地核等層次。與此同時，被禁錮在地球內部的氣體不斷迸發出來，形成原始大氣圈，其主要成分為H2O，CO，CO2，CH4和N2等。當時不含有氧氣，這是一個還原性大氣圈。水氣凝結後在低凹處彙聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述過程曆時約10～15億年。顯然，早期地表環境的顯著特征是缺氧，也沒有臭氧層，太陽輻射中的高能紫外線可直接射到地麵上。
生物的形成在太陽能和地熱能的作用下，簡單無機化合物和甲烷等化合形成了簡單有機化合物（如氨基酸、單糖等），並逐步演化為生物大分子（如蛋白質、多糖等），為生命的產生創造了條件。大氣中O2的積累主要是依賴於生物的光合作用。原始海洋中的蛋白質、氨基酸首先形成無氧呼吸的細菌（原生物），並逐步演化為含有葉綠素的藻類，在水體中進行光合作用放出遊離氧。經曆了20多億年的進化，終於在6億年前出現了海洋的生物群，4億年前形成了水陸生物和藻類的生命係統，逐漸形成了生物圈。遊離氧的出現促進了生命的進化，並使地球在4億年前出現了能屏蔽太陽強烈紫外線輻射的臭氧層，保護了陸地植物的生長。陸地植物的生長和微生物的作用，產生了土壤層。土壤是岩石與植物相互作用下的產物。土壤層的形成，又使易於流失的養分在地表上富集起來，從而促使陸地植物更加繁盛，保證了生物圈的發展與繁榮。
人類的出現距今約300萬年。在這300萬年中人類活動對環境的化學演化的影響並不明顯。而工業革命至今不過200年，特別是近幾十年，自然資源和能源的開發速度和規模都是驚人的，不僅將地下礦藏大量移至地表，把本來固定在岩石中的元素變成了可進入生態環境和人體的形態，而且將大量的工業廢物排入大氣、水體和土壤環境中，大大加速了化學物質在自然環境中的遷移，而且迅速改變了各圈層中化學物質的組成和數量。更值得注意的是人口劇增對環境造成的衝擊。人類為了自身的需要，不斷地向大自然索取，並對與環境的協調長期失去控製，從而引發了近年來備受關注的環境問題。
人類和其他生物生存的生物圈是在大氣圈、水圈和岩石圈的交彙處。生態係統的物質循環就是自然界的各種化學元素，通過被植物吸收而從環境進入生物界，並隨著生物之間的營養關係而流轉，又通過排泄物和屍體的降解再回到環境中去。如此周而複始，循環不息。
生態係統中各種元素的循環是非常複雜的，現僅就其最主要的水、氮、氧、碳的循環作簡要敘述。
一、水循環
所有生物機體組成中都含有水，自然界中絕大多數生物及非生物的變化多在水中進行。沒有水參與循環，就沒有生態係統的功能，生命就不能維持。
水約占地球表麵的70％，水為物質間的反應提供了適宜的場所，成為物質傳遞介質。水參加的植物的光合作用，既製造了維持生命的必需營養物，同時又為生命提供了必需的氧氣。
6CO2（g）＋6H2Ohv（能量）葉綠素（催化劑）C6H12O6＋6O2（g）
地球上的海洋、河流等水體不斷蒸發，生成的水氣進入大氣，遇冷凝結成雨、雪等返回地表，其中一部分彙集在江、湖，重新流入海洋，另一部分滲入土壤或鬆散岩層，有些成為地下水，有些被植物吸收。被植物吸收的部分，除少量結合在植物體內外，大部分通過液麵蒸發返回大氣。由此可見，水的自然循環是依靠其氣、液、固三態易於轉化的特性，借太陽輻射和重力作用提供轉化和運動能量來實現的。