能源系统模型从20世纪70年代初开始研制的，而70年代的石油危机又大大促进了这项工作的进展。大部分能源系统模型都是基于能源平衡的原理，利用网络的方法或能源投入产出方法进行描述。第一个用协调一致的方式系统描述能流的是巴尼特（Barnett）方法，该方法专注国家一级各类能源需求和能源供应的平衡，强调用共同的英热单位（BTU）表示流量。基于能源平衡原理的网络模型，主要分为统计核算和优化两类模型，前者采用模拟计算，后者采用数学规划技术。

1974年美国布鲁克海文国家实验室研制了第一个比较完整的能源系统静态优化模型BESOM（Brookhaven energy system optimization model）。该模型按照能源系统的格式用以确定从资源到转换工艺再到最终使用的最优配置。由BESOM演变出来的重要模型有DESOM、TESOM和MARKAL。1982年，MARKAL是在国际能源署赞助下在美国布鲁克海文国家实验室和联邦德国玉立希核研究中心研制的动态模型。1978年，中国和联邦德国合作进行的广东省能源调研就是采用MARKAL作为能源供应模型的。

已用于整个能源系统的重要模型还有LEAP（long range energy analyses package），FOSSIL Ⅱ系统动态学模型和国际应用系统分析研究所（ⅡASA）采用的能源供应模型MESSAGE和能源需求模型MEDEE等等。LEAP模型主要用于长期研究开发计划和分析，使用动态网络结构以平衡能源流和价格。FOSSIL Ⅱ广泛用于政策分析，而ⅡASA的模型曾用于全球范围的长期能源分析。

能源系统模型主要是以能源系统为研究对象，分析能源系统运行方式，能源系统与其他系统（大气、土地、水、经济系统等）之间的相互关系。包括自底向上模型（bottom-up），自上而下模型（top-down）和混合模型（hybrid）。

自底向上模型即技术经济模型，它主要用于细致刻画能源系统技术和工艺流程，解决政策冲击下的技术路线图问题。自上而下模型主要用于描述宏观经济变化引起的能源系统供求关系变化，解决政策冲击下的产业部门投入产出变化的问题。而混合模型使前两者模型进行软连接或者硬连接，实现系统模拟。

能源系统模型可以在划定的边界范围内，帮助我们更好地观察问题的本质，更好地理解当前与未来的能源市场状况——供给、需求和价格等，更好地设计能源供应系统，保证稀缺能源资源的可持续开发。同时也可以更好地理解能源系统和其他经济系统之间的相互作用和能源系统对环境治理的潜在影响。