演化是系统的普遍特性，只要在足够大的时间尺度上看，任何系统都处于或快或慢的演化之中，都是演化系统。有些系统由于演化的时间尺度比较长，在一定研究范围内看不到变化，此时可以把他们当作非演化系统研究它们的静态特征。但就主体部分看，系统科学是关于系统演化的科学。

系统演化有两种基本方向，涉及最基本的时间箭头问题。一种是由低级到高级、由简单到复杂的进化；一种是由高级到低级、由复杂到简单的退化。现实世界的系统既有进化，也有退化。两种演化又是互补的。热力学第二定律为系统由有序到无序的演化提供了科学解释；而自组织理论则指出，开放系统在远离平衡的条件下，通过系统内部的非线性相互作用，可以实现从无序到有序的突变，使系统在宏观层次上涌现出新的性质、结构和功能，从而为理解自然界中各种复杂系统的行为，特别是生命的产生和进化提供了理论基础。

系统演化原则上可以分为定量的渐变和定性的突变两种演化模式，数学中的动力系统理论是刻画系统演化的基本数学工具。系统科学中更关心系统由一种结构或形态向另一种结构或形态的突变，通常用分支理论和突变论进行研究，稳定性与鲁棒性理论、多主体系统、复杂网络、复杂适应系统都是研究系统演化的重要方法与工具。

系统演化的动力有来自系统内部的，即组分之间的合作、竞争、矛盾等，导致系统规模、个体行为，特别是组分关联方式的改变，进而引起系统功能及其他特性的改变。系统演化的动力也来自外部环境，环境的变化及环境与系统相互联系和作用方式的变化，都会在不同程度上导致系统内部发生变化，包括组分特性、结构方式的改变，最终导致系统整体特性和功能的变化。一般来说，系统是在内部动力和外部动力共同推动下演化的。在理解系统演化机制的基础上，通过特定的机制设计、结构调整、反馈调控等实现或优化系统的演化目标是系统科学研究的重要领域。