自然环境可分为四个圈层：生物圈、大气圈、水圈和岩石圈，总称生态圈，这是经过漫长的演化而形成的。各圈层之间有着复杂的物质交换和能量交换。
根据放射性同位素方法推算，地球的年龄约为46亿年，自然环境发展历史可划分为地球的形成、生物的形成和人类的出现三个阶段。
地球的形成地壳内部大量放射性元素的裂变和衰变所释放出的能量的积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击等，导致了地球火山的强烈活动，使地球温度升高到出现局部熔融，重元素沉入地心，轻物质浮升到地表，逐渐形成地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。与此同时，被禁锢在地球内部的气体不断迸发出来，形成原始大气圈，其主要成分为H2O，CO，CO2，CH4和N2等。当时不含有氧气，这是一个还原性大气圈。水气凝结后在低凹处汇聚成海洋（水圈），地表水呈酸性。上述过程历时约10～15亿年。显然，早期地表环境的显著特征是缺氧，也没有臭氧层，太阳辐射中的高能紫外线可直接射到地面上。
生物的形成在太阳能和地热能的作用下，简单无机化合物和甲烷等化合形成了简单有机化合物（如氨基酸、单糖等），并逐步演化为生物大分子（如蛋白质、多糖等），为生命的产生创造了条件。大气中O2的积累主要是依赖于生物的光合作用。原始海洋中的蛋白质、氨基酸首先形成无氧呼吸的细菌（原生物），并逐步演化为含有叶绿素的藻类，在水体中进行光合作用放出游离氧。经历了20多亿年的进化，终于在6亿年前出现了海洋的生物群，4亿年前形成了水陆生物和藻类的生命系统，逐渐形成了生物圈。游离氧的出现促进了生命的进化，并使地球在4亿年前出现了能屏蔽太阳强烈紫外线辐射的臭氧层，保护了陆地植物的生长。陆地植物的生长和微生物的作用，产生了土壤层。土壤是岩石与植物相互作用下的产物。土壤层的形成，又使易于流失的养分在地表上富集起来，从而促使陆地植物更加繁盛，保证了生物圈的发展与繁荣。
人类的出现距今约300万年。在这300万年中人类活动对环境的化学演化的影响并不明显。而工业革命至今不过200年，特别是近几十年，自然资源和能源的开发速度和规模都是惊人的，不仅将地下矿藏大量移至地表，把本来固定在岩石中的元素变成了可进入生态环境和人体的形态，而且将大量的工业废物排入大气、水体和土壤环境中，大大加速了化学物质在自然环境中的迁移，而且迅速改变了各圈层中化学物质的组成和数量。更值得注意的是人口剧增对环境造成的冲击。人类为了自身的需要，不断地向大自然索取，并对与环境的协调长期失去控制，从而引发了近年来备受关注的环境问题。
人类和其他生物生存的生物圈是在大气圈、水圈和岩石圈的交汇处。生态系统的物质循环就是自然界的各种化学元素，通过被植物吸收而从环境进入生物界，并随着生物之间的营养关系而流转，又通过排泄物和尸体的降解再回到环境中去。如此周而复始，循环不息。
生态系统中各种元素的循环是非常复杂的，现仅就其最主要的水、氮、氧、碳的循环作简要叙述。
一、水循环
所有生物机体组成中都含有水，自然界中绝大多数生物及非生物的变化多在水中进行。没有水参与循环，就没有生态系统的功能，生命就不能维持。
水约占地球表面的70％，水为物质间的反应提供了适宜的场所，成为物质传递介质。水参加的植物的光合作用，既制造了维持生命的必需营养物，同时又为生命提供了必需的氧气。
6CO2（g）＋6H2Ohv（能量）叶绿素（催化剂）C6H12O6＋6O2（g）
地球上的海洋、河流等水体不断蒸发，生成的水气进入大气，遇冷凝结成雨、雪等返回地表，其中一部分汇集在江、湖，重新流入海洋，另一部分渗入土壤或松散岩层，有些成为地下水，有些被植物吸收。被植物吸收的部分，除少量结合在植物体内外，大部分通过液面蒸发返回大气。由此可见，水的自然循环是依靠其气、液、固三态易于转化的特性，借太阳辐射和重力作用提供转化和运动能量来实现的。
水循环系统既受气象条件（如温度、湿度、风向、风速）和地理条件（如地形、地质、土壤）等自然因素的影响，也会受到人类活动的影响。例如，构筑水库、开凿河道、开发地下水等，会导致水的流经路线、分布和运动状况的改变；发展农业或砍伐森林会引起水的蒸发、下渗、径流等变化。人类的生产活动和生活中排出的化学污染物，以各种形式进入水循环后，将参与循环而迁移和扩散。如排入大气的二氧化硫和氮的氧化物形成酸雨；土壤和工业废弃物经雨水冲刷，其中的化学污染物随径流和渗透又进入水循环而扩散等。
总之，水的循环会对生态系统，对人类生存的环境质量带来显著影响。
二、氮循环
氮是蛋白质的基本组成元素之一。所有生物体均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到生物圈的全部领域。氮是地球上极为丰富的一种元素，在大气中约占79％。氮在空气中含量虽高，却不能为多数生物体所直接利用，必须通过固氮作用。固氮作用的两条主要途径，一是通过闪电等高能固氮，形成的氨和硝酸盐，随降水落到地面；二是生物固氮，如豆科植物根部的根瘤油菌可使氨气转变为硝酸盐等。植物从土壤中吸收铵离子（铵肥）和硝酸盐，并经复杂的生物转化形成各种氨基酸，然后由氨基酸合成蛋白质。动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白质。动植物死亡后的遗骸中的蛋白质被微生物分解成铵离子（NH＋4）、硝酸根离子（NO-3）和氨（NH3）又回到土壤和水体中，被植物再次吸收利用。
三、碳循环
碳是构成生物体的最基本元素之一，也是构成地壳岩石和矿物燃料（煤、石油、天然气）的主要元素。碳的循环主要是通过CO2来进行的。它可分为三种形式：第一种形式是植物经光合作用将大气中的CO2和H2O化合生成碳水化合物（糖类），在植物呼吸中又以CO2返回大气中被植物再度利用；第二种形式是植物被动物采食后，糖类被动物吸收，在体内氧化生成CO2，并通过动物呼吸释放回大气中又可被植物利用；第三种形式是煤、石油和天然气等矿物燃料燃烧时，生成CO2，CO2返回大气中后重新进入生态系统的碳循环。
四、氧循环
由于氧在自然界中含量丰富，分布广泛，而且性质活泼，环境中处处有氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中的循环最复杂。上述的几种循环中都包含了一部分氧循环。实际上各种物质的循环都是相互关联的，分别叙述仅仅是为了突出主导线索以利讨论。
应当指出，参与循环的物质仅是该物质总储量的很少部分，大部分则存留于其各自的“储库”之中。海洋是水的总储库，岩石是碳和氧的总储库，大气是氮的总储库。因为参与循环的物质的量极少，所以各种物质总体循环一周所需要的时间很长，且根据各类物质总储量的不同，循环周期的长短差别亦很大。据估计，如把所有地球上现存的水为植物光合作用所裂解，再为动、植物细胞的生物氧化而重新形成，需时200万年。在此过程中产生的O2进入大气并约在2000年内进行再循环，CO2为动、植物细胞所呼出进入大气中，平均停留300年，再为植物细胞固定。
总之，自然界中各种物质的循环都按一定的过程进行，而且由此形成自然界中物质的平衡。生物体则参与所处环境的物质循环，成为平衡着的自然环境整体中的一个组成部分，而且是一个主导部分。
