生态学的能量平衡研究考察能量出入系统的过程与机理，研究对象范围广泛，可以是生物器官、个体、种群、群落或生态系统，也可以是土壤、河流等自然环境。研究较多的是叶和生态系统的能量平衡。

叶片的能量平衡一般可以表达为：

式中和分别为叶片吸收的太阳直射辐射、散射辐射以及长波辐射通量；为叶片发射的长波辐射能；和分别为玻尔兹曼常数和叶片的长波辐射发射率；为叶温与环境温度不等时的热交换通量；为热交换系数；为叶片与环境的潜热交换通量；和分别为叶片内部和环境空气的水汽压；为水的汽化潜热；为叶片水汽交换的阻抗。方程（1）中左右侧分别是进出叶片的辐射通量和热通量；在不考虑光合储能时，如果叶温不变，进出叶片的能量通量应该相等，即达到能量收支平衡状态。研究叶的能量平衡，可以丰富人们对叶片光合作用、蒸腾作用、叶片温度调控等生物学过程的认知。

生态系统的能量平衡一般表达为：

式中和分别为向下的短波辐射、向上的短波辐射、向下的长波辐射和向上的长波辐射，可以通过辐射仪直接测得；为潜热通量；为显热通量；为地表热通量。进出生态系统的辐射通量之差即为该生态系统的净辐射（），即（2）式的左侧项：

净辐射用于生态系统蒸腾蒸发（蒸散）、大气和土壤的加热以及生物储能等，即（2）式右侧各项：潜热通量（）、显热通量（）和地表热通量（）。对于植被郁闭的生态系统而言，在净辐射中占比一般在2%以内。植物光合储能在净辐射中的占比很小，在计算能量平衡时常忽略不计。

净辐射在潜热和显热之间的分配是生态系统能量平衡的核心。在水分充足的生态系统中或同一生态系统水分充足的阶段，净辐射大多用于植物蒸腾和土壤蒸发，即蒸散；反之，在水分亏缺的生态系统中，净辐射中显热的分配比例相对增加。