Hệ sinh thái tồn tại và hoạt động được là nhờ hai đặc trưng cơ bản đó là: chu trình vật chất và dòng năng lượng.
* Vòng tuần hoàn vật chất: vật chất đi từ môi trường ngoài vào cơ thể sinh vật, rồi từ sinh vật này sang sinh vật khác theo chuỗi thức ăn và từ sinh vật phân hủy thành các chất vô cơ.
Vật chất được các thành viên trong hệ sinh vật sử dụng lặp đi lặp lại nhiều lần. Từ nguồn dự trữ, vật chất (cacbon chẳng hạn) được thực vật hấp thụ dưới dạng $CO_2$ để chuyển thành các chất hữu cơ thực vật (quang hợp). Sau đó, nó tiếp tục đi qua các bậc dinh dưỡng rồi quay lại môi trường thông qua hiện tượng hô hấp, lên men của sinh vật và bị đốt cháy của các vật chất hữu cơ (than đá, dầu lửa...). Sự vận động vật chất phụ thuộc vào hoạt động của sinh vật và các yếu tố môi trường của hệ sinh thái. Nhiều vật chất trong quá trình vận động bị lắng đọng tích lũy (than đá, dầu lửa, khí đốt) lại được con người khai thác và đưa trở lại chu trình tuần hoàn.
* Dòng năng lượng: hệ sinh thái là một hệ thống lớn và hở, có khả năng tự điều chỉnh. Nó tồn tại được là nhờ nguồn năng lượng mặt trời. Khi năng lượng mặt trời đến Trái Đất, chỉ có $50$% nguồn năng lượng đó rơi vào hệ sinh thái, số còn lại biến thành nhiệt năng. Tại hệ sinh thái chỉ tiếp nhận được $0,1$% tổng năng lượng bức xạ này để chuyển sang dạng hóa năng lưu ttrữ lại trong chất hữu cơ do quan hệ của thực vật tạo ra
$6CO_2+6H_2O \xrightarrow{{Q bức xạ mặt trời}} C_6H_{12}O_6+6O_2$
Chất hữu cơ tổng hợp được, một phần (khoảng $15-20$%) được sinh vật sản xuất sử dụng cho sự tồn tại của chúng, phần còn lại để nuôi các động vật (vật tiêu thụ) và các vi sinh vật (vật phân hủy). Động vật tiêu thụ ở mắt xích đầu tiên (động vật tiêu thụ bậc $1$) chỉ đồng hóa, sử dụng được một phần ($10$%), phần còn lại được thải ra ngoài (phân, nước tiểu...) và chuyển thành nhiệt trong quá trình hô hấp. Tiếp đến động vật tiêu thụ bậc $2$ cũng chỉ sử dụng được một ít năng lượng dưới dạng thịt của con mồi. Cứ tiếp tục như vậy, năng lượng tồn tại dưới dạng chất hữu cơ trên cơ thể động vật giảm dần, điều này được thể hiện rõ qua tháp năng lượng.
Khi động vật và thực vật chết, những năng lượng đang tồn tại dưới dạng chất hữu cơ trên cơ thể chúng được các vi sinh vật, nấm phân hủy để sử dụng.
* Sự tiến hóa của hệ sinh thái: theo thời gian, hệ sinh thái có quá trình phát sinh, phát triển để đạt được trạng thái ổn định lâu dài, lúc đó quần xã ở dạng đỉnh cực. Quá trình này được gọi là sự diễn thế sinh thái. Trong diễn thế sinh thái phải tự giải quyết hàng loạt mâu thuẫn (nội tại và môi trường) làm sao cho các thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng.
Lịch sử tiến hóa của sinh quyển đã hình thành các hệ sinh thái tự nhiên ở dạng đỉnh cực: hệ sinh thái đồng rêu vùng cực, hệ sinh thái rừng cây lá nhọn, rừng cây lá rụng, rừng nhiệt đới, hệ sinh thái đồng cỏ, hệ sinh thái sa mạc...
* Sự tự điều chỉnh, tự lập lại cân bằng của hệ sinh thái: các hệ sinh thái tự nhiên đều có khả năng tự điều chỉnh. Nếu có sự biến động nào đó do tự nhiên hoặc con người gây ra thì hệ sinh thái có thể tự lặp lại trạng thái cân bằng, tự phục hồi để trở về trạng thái ban đầu. Đó là sự thích nghi của hệ sinh thái và được thực hiện theo hai cơ chế: điều chỉnh đa dạng sinh học của quần xã và chu trình sinh địa hóa giữa các thành phần của hệ.
Tuy nhiên, mỗi hệ sinh thái chỉ có một giới hạn tự lập cân bằng nhất định, nên khi sự tác động vượt qua giới hạn này thì hệ sinh thái sẽ bị hủy diệt.