简单而言，地球系统模式可以看成是传统意义上的气候系统模式与生物地球化学过程模式以及固体地球和外层空间（主要指太阳活动）模式的综合体，其基本组成包含5个功能模块：物理气候系统、生物地球化学系统、与人类活动影响相关联的人文（或社会科学）系统、固体地球、与太阳活动有关的空间天气。

地球系统模式的发展可以粗略地划分为3个阶段：第一阶段是20世纪80～90年代以地球流体（大气、海洋）为研究主体的物理气候系统模式阶段（见气候系统模式），其中的固体地球部分只考虑了地球表层的物质、能量交换等物理过程。该阶段的代表性工作有美国国家大气研究中心（NCAR）联合美国多个大学和研究机构发展的共同体气候系统模式系列（CCSM）。中国学者从20世纪80年代开始也发展了有自己特色的海气耦合模式并参与国际耦合模式比较计划（CMIP）。第二阶段起始于21世纪初，在物理气候系统模式的基础上考虑大气化学过程、生物地球化学过程和人文过程，对碳、氮等物质循环过程具备定量的描述能力，能够部分地反映人类活动对气候的影响，称为地球气候系统模式，大体上包含以下几个子系统模式及他们之间的相互耦合：大气环流模式、海洋环流模式、海冰模式、陆面过程模式、（全球）植被动力学模式、气溶胶和大气化学模式、海洋生物地球化学模式、陆地生物地球化学模式。该阶段的代表性工作有英国气象局哈德利中心（Hadley Center）发展的HadGEM2，美国地球流体动力实验室（GFDL）发展的ESM2，德国马普气象研究所（MPI-Meteorology）发展的MPI-ESM，美国大气研究中心NCAR发展的共同体地球系统模式（CESM）。第三阶段是在地球气候系统模式的基础上进一步考虑地球气候系统与固体地球（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和空间天气相互作用的相对完整的数值模式，即地球系统模式阶段，这些工作尚处于探索时期，是以后的发展方向。

国际上比较先进的地球气候系统模式（比如NCAR CESM）基本包含了分别描述地球系统五大圈层的分量模式：大气（见全球大气环流模式）、海洋（见海洋环流模式）、海冰（见海冰模式）、陆面、生态模块，并由通量耦合器将各个模块耦合在一起，通过数值积分来模拟地球系统各子系统的时间变化及子系统之间物质、能量等的交换过程。其中描述冰冻圈的陆地部分（大陆冰盖、山地冰川）以及陆地生物圈的模块往往与陆面模式嵌套在一起，而海洋生物地球化学循环过程则在海洋模式中考虑。参与耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）试验的地球系统模式（ESM），其实只是在传统意义的物理气候系统模式基础上简化地考虑了碳循环（个别包含氮循环）过程，对植被的动态变化（尤其是植被类型的演替）以及大气化学过程的描述比较简单，还需要进一步改进。

对天气预报和从季节到年际时间尺度的短期气候预测而言，包括大气、海洋、海冰、陆地表面动力过程的物理气候系统模式已经能够满足需求。发展地球气候系统模式的目的是通过研究大气、陆地和海洋之间的能量、动量和物质交换以了解地球能量过程、生态过程和新陈代谢过程的运行规律，并了解地表覆盖变化和温室气体排放等所引起的气候响应，特别是了解碳、氮和铁循环的生物地球化学耦合过程在气候系统中的作用以及人类活动对这些循环过程的影响及其气候效应。地球气候系统模式包含了大气化学过程，对它的研究有助于人们认识大气污染的成因并预测大气环境的变化。而发展真正意义上的地球系统模式，不仅可以更加客观地研究上述问题，还可以用来研究与地理学、地球物理学、地球表层物理和化学等相关的问题，定量考察地球流体运动与固体地球过程的相互作用以及空间天气对地球系统的影响问题。

地球系统模式的研制不仅涉及地球科学各分支（气象学、气候学、地理学等），还与数学、物理、化学、生物、经济、信息科学、计算机科学等领域密切相关。随着地球科学和计算机技术的发展，作为地球系统模式的主要分量，大气模式和海洋模式的分辨率得到不断提高，可以描述更精细的物理过程，其中的许多参数化方案也随着观测手段的加强和观测资料的丰富而进一步完善，甚至不断增加新的物理过程。植被动力学模式尚处于起始阶段，各种植被类型的生理、物理等参数有很大的不确定性，人们对不同植被功能型之间的竞争规律、生消规律的认识还不是很清楚，这些将是未来数年内的研究热点。由于时间尺度差异较大，固体地球运动与传统地球气候系统的耦合则需要在相应的理论成熟以后才能有所发展。从地球系统模式的应用来讲，第六阶段的耦合模式比较计划（CMIP6）试图描述人类活动对生态环境的影响及生态系统与气候变化的相互作用，参与CMIP6试验的模式需要包含碳、氮循环以及动态变化的大气化学和气溶胶过程，才能真实地模拟上述复杂的相互作用。