地理空间可以分为绝对地理空间和相对地理空间两种形式。绝对地理空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成。相对于地理空间是具有空间属性特征的实体集合，由不同实体之间的空间关系构成。从20世纪80年代末开始，随着地理信息科学的发展，人们对地理空间本质的研究越来越深入。地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论和技术问题。这些研究可以从物理地理空间、认知地理空间、数字地理空间三个方面来考察。物理地理空间是地球表面客观存在的物理空间。传统上，物理地理空间的范围界定为上地幔（沉积岩层）到对流层顶。认知地理空间是人类社会生产和生活过程中意识到的地理环境空间。数字地理空间，又称虚拟地理空间或虚拟地理环境，是物理地理空间的计算机模拟，是人类认知地理空间的数字表达。随着现代科学技术的发展，物理地理空间、认知地理空间和数字地理空间的范围正逐渐加深和拓宽。

对地理空间的理解一直是人类努力探索的方向。本质上，地理空间与物质、能量、信息以及时间存在复杂的关系。一方面，可以把地理空间、时间作为物质运动的一个属性。另一方面，也可以把地理空间作为一个系统对象研究，其内在的物质、能量、信息的转化和发展变化产生丰富多彩的地理现象。地理信息是关于自然、人文现象的地理空间分布与组合的信息。随着人类观察地理空间的遥感技术手段不断丰富，观测精度不断提高，可获得的精细地理信息越来越多，将更有助于人们深入理解地理空间。地理空间认知作为地理信息科学的一个重要研究领域得到广泛重视，主要研究人类如何逐步理解地理空间，进行地理分析和决策，包括地理信息的知觉、编码、存储、记忆和解码等一系列心理过程。地理本体试图把有关地理科学领域的知识、信息和数据抽象成具有共识的对象和关系，并进行概念化处理，以形式化表达地理知识。地理计算则强调使用计算机完成地理数值模拟和地学符号推理，辅助人类地理空间决策。研究表明，地理空间对象具有复杂的形态、结构及维度、空间度量范围属性。空间尺度、时间尺度是人类认知地理空间的基本特性之一。在不同细节层次的尺度上，对同一地理空间度量范围的空间对象的分析结果会发生敏感变化，即产生地理尺度效应。

对地理空间基础理论的深入研究有利于促进人类社会、经济的发展和环境保护。但由于地理空间的复杂性，对地理空间的结构、特征、现象以及与物质、时间的关系研究还不够充分，与之相关的学科仍在快速发展。