studiet av variasjonen i arters og populasjoners antall og utbredelse, og årsakene til denne variasjonen. Ordet økologi ble først brukt av den tyske biologen Ernst Haeckel i 1866, men økologi har vokst frem som en vitenskap (en gren av biologi) fra 1920-tallet.
Organismer påvirkes både av abiotiske (livløse) og biotiske faktorer. De abiotiske faktorene kan deles opp i to typer faktorer: fysiske/kjemiske betingelser (f.eks. temperatur eller pH) og ressurser (f.eks. mengde av næringsstoffer som nitrogen og fosfor). Ressurser skiller seg fra betingelser ved at ressursene forbrukes av organismene og vil reduseres dersom mange organismer bruker av dem. De biotiske faktorene som påvirker en organisme omfatter konkurranse (både innen arten og mellom ulike arter), predasjon, tilgang på byttedyr, og mutualisme. Disse kan være kompliserte å forstå, siden endringer hos en art fører til endringer hos en annen art, som igjen vil påvirke den første arten osv. I økologien forsøker man altså å forstå hvorledes populasjoner, arter og økosystemer påvirkes av alle disse faktorene, og å utlede «naturlover» som gjør det mulig å forutsi hvorledes en art vil utvikle seg i fremtiden. For eksempel trengs økologisk kunnskap for å forstå hvordan et varmere klima vil påvirke økosystemer, hvorledes jakt påvirker både arten som jaktes og andre arter (f.eks. artens predatorer), eller for å forstå hvorfor man har museår.
Som vitenskap grenser økologi opp mot mange andre vitenskaper. En gren av økologien (autøkologi) behandler de enkelte arters reaksjon på miljøfaktorene, spesielt individenes toleransegrenser og preferanser for miljøfaktorer som temperatur, fuktighet o.l. Denne grenen har nær tilknytning til deler av fysiologien (økofysiologi), og gir bedre muligheter til å forstå organismenes utbredelse, aktivitet o.l. (se dyregeografi og plantegeografi).
Populasjonsøkologi behandler populasjonenes forplantningsrate, dødsrate, vekst og alderssammensetning, og de faktorer som regulerer disse forhold. Man bruker ofte matematiske modeller for å forstå dette, og slik grenser dette feltet opp mot matematikk. Et viktig spørsmål er hva som bestemmer eller regulerer populasjoners størrelse. Noen populasjonsregulerende faktorer kan kalles tetthetsavhengige, fordi de eliminerer et relativt større antall individer når bestanden er stor. Rovdyr og parasittiske insekter kan virke på denne måten. Andre faktorer, ofte klimatiske, er tetthetsuavhengige, og det antall individer de eliminerer, står ikke i noe forhold til populasjonens størrelse. Populasjoner kan ha «innebygde», selvregulerende mekanismer som hindrer at populasjonen overskrider områdets evne til å livberge populasjonen, det vi kaller områdets bæreevne. Territorial atferd, stress o.l. kan virke på denne måten. I en stabil populasjon vil gjennomsnittlig bare to individer av avkommet etter et foreldrepar forplante seg videre, enten foreldrene legger millioner av egg, som mange fisk, eller får et meget lite antall unger, som de fleste pattedyr. Derfor holder populasjonene i naturen seg innenfor meget snevre grenser sammenlignet med de potensielle mulighetene. Økologene er sterkt opptatt av hvilke reguleringsfaktorer som her vil gjøre seg gjeldende. Enkelte populasjoner har nokså regelmessige svingninger med toppår hvert 3. eller 4. år (se smågnagersvingninger).
Individer er forskjellige, og vil selvsagt bli ulikt påvirket av abiotiske og biotiske faktorer. Dette kan føre til naturlig seleksjon og dermed til evolusjon. Evolusjon fører igjen til at populasjonens reaksjon på abiotiske og biotiske faktorer endrer seg. Økologi og evolusjonsbiologi er derfor tett sammenvevet; de påvirker hverandre gjensidig. Et eksempel er sommerfugler som har kamuflasjefarge som matcher trestammene de sitter på. Sommerfugler med en farge som skiller seg fra trestammenes farge vil bli mer utsatt for predasjon (en økologisk prosess), slik at gener som fører til slik farge vil reduseres i populasjonen ved naturlig seleksjon (en evolusjonær prosess). Etter hvert som populasjonen utvikler bedre kamuflasje som følge av denne seleksjonen, vil færre sommerfugler bli spist (en økologisk effekt), og så videre.
Studiet av livshistoriestrategier – hvordan en organisme bruker ressurser på vekst og reproduksjon – er viktig i grenselandet mellom økologi og evolusjon. Et mye brukt begrep i denne sammenheng er r-selekterte og K-selekterte arter. Med utgangspunkt i den logistiske modellen for populasjonsstørrelse dN/dt = rN(K-N)/K (se populasjonsbiologi), så vil en art som satser på å øke r (evnen til å øke raskt i antall), «betale» for dette ved å minske K (artens konkurransestyrke). Om man f.eks. øker antall avkom man får (f.eks. ved å minske størrelsen på egg eller unger), så vil hvert avkom også ha mindre sannsynlighet for å overleve til voksen alder. I ustabile miljøer vil det ofte lønne seg å forsøke å maksimere r ved å få mange små avkom og ha tidlig kjønnsmodning (r-seleksjon). Tilsvarende vil K-selekterte arter satse på få, store avkom og ha en sen kjønnsmodning (K-seleksjon).
Miljøforholdene er sjelden konstant gunstige på et sted. De kan variere enten forutsigbart eller uforutsigbart. Et eksempel på en forutsigbar variasjon er vekslingen mellom sommer og vinter på våre breddegrader. Trekkfugler takler dette ved å trekke sørover når vinteren nærmer seg, mens mange planter og noen dyr (f.eks. bjørn) går inn i en dvaletilstand der de bruker minimalt med energi for å komme seg gjennom vinteren. Man kan si at trekkfugler migrerer i rom (forflytter seg til et gunstigere sted), mens planter migrerer i tid (forflytter seg til en gunstigere årstid). Mange organismer er i stand til å takle mer uforutsigbare svingninger i miljøbetingelsene også. F.eks. finnes det planter tilpasset til å leve i de første årene etter en skogbrann; disse har frø som kan hvile i flere tiår, men som stimuleres til å spire av varmen i en brann.
Populasjonene av forskjellige organismer innen et område, f.eks. i et vann eller i en skog, danner et samfunn. Den delen av økologien som behandler samfunnene, kalles samfunnsøkologi eller synøkologi. Samfunnene er ikke statiske, men endrer seg med tiden. Når et jomfruelig område «befolkes», danner de første organismene et forholdsvis enkelt pionersamfunn, som gjennom en serie forandringer ender i et modent, komplisert klimakssamfunn. Disse endringene, suksesjoner, skyldes at organismene ved sin aktivitet endrer miljøet og derved legger grunnlaget for det neste suksesjonstrinn. Eksempler på suksesjoner ser vi når dyrket mark eller en hugstflate vokser til.
Samfunnet og de livløse faktorene i miljøet der samfunnet finnes, utgjør et økosystem. Studiet av økosystemenes bygning og funksjon kalles systemøkologi. Systemøkologer studerer blant annet hvorledes mennesket påvirker økosystemer ved å endre sirkulasjon av næringsstoffer, vann etc.
Som vitenskap kan økologi betraktes som verdinøytral og beskrivende, på lik linje med fysikk og kjemi. Økologer beskriver hvorfor arter ekspanderer eller reduseres, i utgangspunktet uten å ta stilling til hvorvidt disse endringene er ønsket eller uønsket. Det har imidlertid ofte vært økologer som har pekt på at menneskets virksomhet har store og ofte uforutsette effekter på naturen, effekter som de fleste ser på som negative. F.eks. ble det på 1950–60-tallet vist at giftstoffer som DDT akkumuleres oppover i næringskjeden og dreper fugler og dyr på toppen av næringspyramiden. «Økologisk tankegang» har derfor kommet til å bety et visst verdisyn, nemlig at mennesker må tilpasse sin virksomhet slik at det får minst mulig konsekvenser på naturen. For eksempel har «økologiske matvarer» og «økologisk jordbruk» lite med vitenskapen økologi å gjøre, men er et uttrykk for at matproduksjonen og gårdsdriften gjøres med tanke på at jordbruket skal ha minst mulig økologisk effekt på naturen (f.eks. ved å ikke bruke kunstgjødsel, som bl.a. påvirker nærliggende vassdrag). Slik tankegang fikk i 1970-årene stigende betydning i mange samfunnsforhold. Dette har ført til konflikter mellom naturvern og økonomisk-teknologiske interesser i forvaltningen av naturen (se natur- og miljøvern). Dessuten har ikke lenger menneskets aktiviteter bare lokal virkning på økosystemet, men påvirker store regioner eller hele Jorden (se forurensning). Dette har nødvendiggjort større undersøkelser, for eksempel av virkningen av sur nedbør på skog og fisk, overvåking av endringer i atmosfæren med hensyn til ozonlaget og drivhuseffekt, beskyttelse av tropiske regnskoger osv. Det har også resultert i retninger som økofilosofi og økopolitikk.