整个生物圈都渗透在大气圈、水圈和岩石圈之间；生物圈与大气圈、水圈和岩石圈之间存在着复杂的相互作用关系以及物质和能量的交换与循环。这里仅简要列举几个方面。
（一）大气圈、水圈及岩石圈环境对生物圈发展的制约与促进作用
大气圈、水圈及岩石圈构成了生物圈中各种生物最基本的无机生存环境，它们供给生物所必需的水分、各种营养物质及矿物质等。这些无机环境的差异对生物圈的繁盛、发展具有很强的限制性或促进性作用；而生物对其生存环境则具有很强的依存性和适应性。一般来说，生物的种类、数量、形态结构及生理机能等与它所生存的一定环境条件是相适应的；有利或不利的环境条件会对生物的繁盛与发展起到促进或制约的不同作用。大气圈、水圈在太阳能的驱动下而发生运动、循环，形成风、雨、流水、潮汐、气温变化、干湿变化等；它们与岩石圈表面的自然地理相结合，使不同地区形成了不同的气候与地理环境。因此，生物长期进化发展的结果，在地理与气候条件不同的地区往往形成了不同的生物群落；而在地理与气候条件相似的环境一般都具有相似的生物群落。例如，在不同地区的沙漠生物群落中，虽然生物种类并不相同，但它们都具有许多相似的特征：种类和数量较少、耐干旱、具有防止或减少水分蒸发的能力或行为等。我国云南西双版纳有热带雨林生物群落，印度、南美等地也有，它们的地理、气候条件（如温度、湿度等）相似，生物特征也很相似（生物繁茂、种类多、数量较多、喜湿性等）。根据地理与气候环境不同，生物群落可分为陆生和水生两大类。陆生生物群落又包括热带雨林、亚热带常绿阔叶林、荒漠、温带落叶阔叶林、温带草原、寒温带针叶林、寒带苔原等群落；水生生物群落包括海洋生物群落（滨海、浅海、半深海-深海等）和淡水生物群落（河流、湖泊、沼泽等）。
（二）生物圈对大气圈、水圈的改造与影响
地球与太阳系中其他行星的最显著不同是地球上有繁茂的生命。正是地球上生命的发生和发展，才使大气圈能有今天这样适合于人类生存的大气环境，这其中主要是得益于绿色植物的作用。大气中游离氧气的积累、臭氧层的形成、二氧化碳的降低、气温的调节等都有动植物的贡献。地球演化历史研究表明，冥古宙时期的早期大气中基本没有或极少有游离氧气存在，而CO2 含量很高（除H2 O汽、N2 以外）；太古宙时期随着海洋中藻类植物的出现，光合作用使O2 开始逐渐缓慢积累；元古宙时期海生藻类植物繁盛，光合作用生产的O2 量快速增加，成为大气中O2 含量积累增长的最主要阶段（图10-4）。而大气中自由氧的增加与CO2 的减少大体是同步的，植物大发展与大气中的CO2 含量通常呈反相关关系。现今大气中各种主要成分的含量基本上趋于动态平衡，这主要是生物圈（植物和动物）-水圈-岩石圈之间排气、固气作用所达到的相对平衡状态。
图10-4 大气圈中氧气和二氧化碳随时间的变化
（据陶世龙等，2010）
生物圈参与并影响了水圈的运动与循环。水是生物圈中生物体维持生命的必需物质，生物体通过从水圈、大气圈中吸收水分，再通过新陈代谢和生命系统内部的运动排出水分到大气圏和水圈中。一般来说，水被生物体吸收进去并留在生物体结构中的并不多，但经过生物体转运的水量却很大，如植物的根部从土壤中吸收1000 g水，大约只有1 g水被植物用在组织的建造上，99.9%的水通过蒸腾作用进入大气圈，它对大气的湿度有调节作用。生物圈中良好的植被（特别是林地）常可大大减缓地表水的运动速度，延长地区性水体的循环时间，有利于水土保持、防止洪涝灾害和缓解干旱缺水问题。
（三）地球表层的全球碳循环
碳是组成生命组织的基本物质，也是近地表各种地质作用中最活跃的化学元素之一。碳在地球表层的生物圈、大气圈、水圈和岩石圈之间的运动与转换是地球上生命活动及多种地质作用的重要过程与结果，也是地球表层各圈层相互作用、影响与连接的典型实例。
全球表层碳的总含量约为1023 g，其中绝大部分以有机化合物（1.56×1022 g）和碳酸盐（6.5×1022g）的形式存在于沉积岩中，余者主要以CO2，
地表植物一般通过对CO2 的光合固碳作用而捕获太阳能为生物圈提供能量，同时使得大气中的碳进入生物圈，并向大气提供氧气；而各种动物则通过食物链与新陈代谢作用吸收、贮存和排出含碳物质。在陆地的碳循环过程中，大气中的CO2 为植物所固定，且大部分通过生物的呼吸和分解作用而从植物、动物或土壤释放到周围环境中去；有些储存在有机体中被长期埋藏。海洋生物利用海洋中所溶解的CO2 进行光合固碳作用，其中一部分生物残体分解释放出CO2；另一部分形成生物碳酸盐沉积，与无机碳酸盐沉积一道固定在岩石圈中，直到受地质作用被抬升到地表经风化作用而重新释放出CO2。大气圈与水圈之间主要通过CO2 的溶解与挥发作用进行碳循环，而岩石圈与水圏、生物圈和大气圈之间主要通过风化、剥蚀、搬运和沉积作用进行碳循环。此外，构造运动、岩浆作用与变质作用（如火山、断层、地震、温泉、热液等）所释放的 CO2，自然火灾、人类活动（如化石燃料燃烧、水泥制造、森林破坏等）对近地表CO2 的含量及碳循环过程也有重要影响（图10-5）。
图10-5 地球表层的碳循环示意图
（据陶世龙等，2010）
（四）氧及其他化学组分的循环
氧是地球表层最丰富的物质，氧元素的克拉克值在地壳中占第一位（高达46.6%），水圈中水分子内氧元素的质量占比更高。但游离状态的氧气主要存在于大气圈内，在低层大气中氧气所占的体积约为21%；还有一部分氧气溶于水圈中及生物体内。由于在H2 O分子和CO2 气体中都存在氧元素，所以全球碳循环与水的循环过程实际上也是氧的循环过程。但现今大气圈中游离状态的氧气主要是绿色植物光合作用的贡献，它们吸收CO2并排出O2；但动物则相反，它们通常吸收O2 并排出CO2。所以，O2 主要通过生物体的作用在大气圈、生物圈及水圈之间循环。氧也是地球表层化学性质十分活跃的元素，它积极参与了各种地质作用过程，使之在岩石圈与外部圈层之间也发生循环。地表广泛发生的氧化作用会消耗氧气，使游离氧成为化合物进入岩石圈；而岩石圈中的氧元素则主要通过变质作用（如脱水、脱碳反应等）、岩浆作用（如火山挥发分）等以H2 O或CO2 等形式排出，再通过植物的光合作用形成氧气。由此可见，在游离氧的循环过程中植物的光合作用是至关重要的。
实际上，地球表层的各种物质都在借助地球系统层圈相互作用的能量流动而发生不同规模、不同程度的循环，从化学组分的角度来说可统称为地球化学循环，当有生物作用的参与时又可称之为生物地球化学循环。现已知的地球表层的化学元素中绝大部分都在生物体内存在，其中氢、氧、碳、氮、磷、硫等是有机质的基本化学组分，这些化学组分的生物地球化学循环也是最为显著的。