Khoa học hệ thống Trái Đất là ứng dụng của ngành khoa học hệ thống Trái Đất. Một cách cụ thể, nó xem xét các tương tác và "phản hồi" thông qua các dòng vật chất và năng lượng, giữa các chu kỳ, quy trình và "vùng quyển" của hệ thống Trái Đất (như khí quyển, thủy quyển, tầng lạnh, địa quyển, thổ nhưỡng, thạch quyển, sinh quyển), và thậm chí là từ quyển—cũng như tác động của xã hội loài người đến các thành phần này. Ở quy mô rộng nhất, khoa học hệ thống Trái Đất tập hợp các nhà nghiên cứu trên cả khoa học tự nhiên và ngôn ngữ, từ các lĩnh vực bao gồm sinh thái học, kinh tế học, địa lý học, địa chất học, băng hà học, khí tượng học, hải dương học, khí hậu học, cổ sinh vật học, xã hội học, và vũ trụ học. Giống như chủ đề rộng hơn của khoa học hệ thống về cách nhìn toàn diện về sự tương tác giữa Trái Đất hình cầu và nhiều hệ thống con cấu thành của chúng thông lượng và quy trình, kết quả Tổ chức không gian và sự tiến hóa theo thời gian của các hệ thống này, và tính biến đổi, ổn định và không ổn định của chúng. Các tập hợp con của khoa học Hệ thống Trái Đất bao gồm hệ thống địa chất và hệ sinh thái, và nhiều khía cạnh của khoa học Hệ thống Trái Đất là nền tảng cho các môn học của địa vật lý và khoa học khí hậu. Trung tâm Tài nguyên giáo dục khoa học Cao đẳng Carleton đưa ra mô tả về ngành khoa học này như sau: "Khoa học hệ thống Trái Đất bao gồm hóa học, vật lý, sinh học, toán học và khoa học ứng dụng trong việc vượt qua các ranh giới kỷ luật để coi Trái Đất là một hệ thống tích hợp. Nó tìm hiểu sâu hơn về các tương tác vật lý, hóa học, sinh học và con người xác định quá khứ, hiện tại và tương lai của Trái Đất. Khoa học Hệ thống Trái Đất cung cấp một cơ sở vật chất để hiểu thế giới chúng ta đang sống và nhân loại tìm cách đạt được sự bền vững". Khoa học Hệ thống Trái Đất đã đưa ra bốn đặc điểm bao quát, dứt khoát và cực kỳ quan trọng của Hệ thống Trái Đất, bao gồm: Khí hậu học và biến đổi khí hậu là trung tâm của khoa học Hệ thống Trái Đất kể từ khi thành lập, bằng chứng là nơi nổi bật được đưa ra cho sự thay đổi khí hậu trong các báo cáo ban đầu của NASA đã thảo luận ở trên. Hệ thống khí hậu của Trái Đất là một ví dụ điển hình của một thuộc tính mới nổi của toàn bộ hệ thống hành tinh, nghĩa là, một thứ không thể hiểu đầy đủ mà không liên quan đến nó như một thực thể tích hợp duy nhất. Đây cũng là một hệ thống mà các tác động của con người đã phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ gần đây, cho thấy tầm quan trọng to lớn đối với sự phát triển và tiến bộ thành công của nghiên cứu khoa học Hệ thống Trái Đất. Chỉ là một ví dụ về tính trung tâm của khí hậu học đến lĩnh vực này, nhà khí hậu học hàng đầu của Mỹ Michael E. Mann là Giám đốc của một trong những trung tâm đầu tiên về nghiên cứu khoa học Hệ thống Trái Đất, Trung tâm Khoa học Hệ thống Trái Đất tại Đại học Bang Pennsylvania, và tuyên bố sứ mệnh của nó là "Trung tâm Khoa học Hệ thống Trái Đất để duy trì sứ mệnh mô tả, mô hình hóa và hiểu hệ thống khí hậu Trái Đất". Giả thuyết Gaia đặt ra rằng các hệ thống sống tương tác với các thành phần vật lý của hệ Trái Đất để tạo thành một tự điều chỉnh toàn bộ duy trì các điều kiện thuận lợi cho cuộc sống. Được phát triển ban đầu bởi James Lovelock, giả thuyết này cố gắng tính đến các đặc điểm chính của hệ Trái Đất, bao gồm cả thời gian dài (vài tỷ năm) trong điều kiện khí hậu tương đối thuận lợi trong bối cảnh của tăng đều đặn bức xạ năng lượng mặt trời.Do đó, giả thuyết Gaia có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học hệ thống Trái Đất, theo ghi nhận của Giám đốc Khoa học Hành tinh của NASA, James Green, vào tháng 10 năm 2010: "Tiến sĩ Lovelock và Tiến sĩ Margulis đóng vai trò chính trong nguồn gốc của những gì chúng ta biết bây giờ là Khoa học hệ thống Trái Đất". Mặc dù giả thuyết Gaia và khoa học hệ thống Trái Đất có cách tiếp cận liên ngành để nghiên cứu các hoạt động của hệ thống ở quy mô hành tinh, nhưng chúng không đồng nghĩa với nhau. Một số cơ chế phản hồi tiềm năng của Gaian đã được đề xuất, ví dụ như Giả thuyết CLAW—nhưng giả thuyết không có sự hỗ trợ phổ quát trong cộng đồng khoa học, tvẫn còn là một chủ đề nghiên cứu tích cực. Khoa học hệ thống Trái Đất có thể được nghiên cứu ở cấp độ sau đại học tại một số trường đại học, với các chương trình đáng chú ý tại các tổ chức như University of California, Irvine, Đại học Bang Pennsylvania, and Đại học Stanford. Trong giáo dục phổ thông, Hiệp hội Địa vật lý Hoa Kỳ,hợp tác với Hiệp hội Địa chất Keck và với sự hỗ trợ từ năm bộ phận trong Quỹ khoa học quốc gia, triệu tập một hội thảo vào năm 1996, "để xác định các mục tiêu giáo dục phổ biến trong số tất cả các ngành trong khoa học Trái Đất". Trong báo cáo của mình, những người tham gia lưu ý rằng, "Các lĩnh vực tạo nên Trái Đất và khoa học vũ trụ hiện đang trải qua một bước tiến lớn thúc đẩy sự hiểu biết về Trái Đất như một số hệ thống có liên quan với nhau". Nhận thấy sự gia tăng của điều này phương pháp tiếp cận hệ thống, Ông đã báo cáo hội thảo đề xuất một chương trình khoa học về Hệ thống Trái Đất được phát triển với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia. Năm 2000, Liên minh Giáo dục Khoa học Hệ thống Trái Đất đã được bắt đầu và hiện có sự tham gia của hơn 40 tổ chức, với hơn 3.000 giáo viên đã hoàn thành khóa học về liên minh khoa học hệ thống Trái Đất vào mùa thu năm 2009".