合成生物学模块包括了诸如套环开关、串级开关、脉冲发生器、时间延迟电路、振荡器、逻辑门电路等。这些模块和其他模块一起工作时，可以用来调控基因表达、蛋白质功能、代谢及细胞间的通信。以基因工程技术和电子工程的电路设计原则为基础的工作还包括利用启动子和阻遏子等基因元件构建最简单的组件，创建可通用组装的满足不同的组合要求的最简单的模块库。应用例子包括逻辑门、闩锁（套环开关）和逆变器。

合成生物学的特点就是可以利用已有的生物元件或组件，继续进行模块的组装，从而将前人组装出的生物组件合并，设计出更加复杂的基因调控网路，并可用强大的工程工具（例如计算机辅助设计）来处理由此而带来的复杂性。许多合成生物学的基本元件，例如启动子、核糖体结合位点和转录阻遏物等，均用来构建具有特定功能的模块，将这些模块插入细胞使生物系统具有了新的功能．有文献报道 在大肠杆菌中构建了基因开关（toggle switch）——一个合成的双稳态基因调控网络。另有文献报道了第一个合成的生物振荡器——压缩振荡子（repressilator）。这些模块虽然只是仿真工程中的简单线路，却已经受到科学界的高度重视。模块已成为合成生物学的重要组成部分，这些研究不仅可更深入了解生命的构成方式和调控原理，还可设计具有所需功能的基因元件，进而构建合成生物系统。

合成生物学以信号传导、基因调控以及细胞代谢的元件组装具有人们所希望的细胞功能的复杂生物系统，通过对系统行为的定量预测和细胞改造的工程实施完成合成任务。必须强调的是，用来构建生命系统新结构、产生新功能所使用的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件，也可以是化学、机械和物理元件。从系统设计的角度来看，合成生物学通过在DNA水平编程，或重新编程来更新和创造新的生物实体，如分子修饰、代谢途径、调控网络、生物和生态系统等。它的发展将大大增强人们以系统论、信息论和控制论为指导的对复杂的细胞网络进行微观改造的能力，进而取得生物系统宏观表型改造的能力。