ความหลากหลายทางชีวภาพ คือ การที่มีสิ่งมีชีวิตมากมาย หลากหลายสายพันธุ์และชนิดในบริเวณใดบริเวณหนึ่ง ความหลากหลายทางชีวภาพแบ่งเป็น 3 ระดับ ได้แก่ ความหลากหลายของสปีซีส์ ความหลากหลายทางพันธุกรรม และความหลากหลายของระบบนิเวศ

ความหลากหลายทางชีวภาพ (Biodiversity) คือ การที่มีสิ่งมีชีวิตมากมายหลากหลายสายพันธุ์และชนิดในบริเวณใดบริเวณหนึ่ง ความหลากหลายทางชีวภาพแบ่งเป็น 3 ระดับ ดังนี้

1. ความหลากหลายของชนิดสิ่งมีชีวิต (สปีซีส์)

สิ่งมีชีวิตบนโลกมีอยู่มากมาย มีลักษณะที่แตกต่างกันไป ทั้งนี้คาดว่าชนิดของสิ่งมีชีวิตมีมากถึง 5-30 ล้านชนิด ทั้งพืช และสัตว์ และจุลชีพ แตกต่างกันออกไปทั้งรูปร่างลักษณะ และการดำรงชีพ กระจัดกระจายกันออกไปในแต่ละเขตภูมิศาสตร์ของโลก

อาจแบ่งได้เป็นเชื้อไวรัส 1,000 ชนิด แบคทีเรีย 4,760 ชนิด เชื้อรา 47,000 ชนิด สาหร่าย 26,900 ชนิด สัตว์เซลล์เดียว 30,800 ชนิด สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง 99,000 ชนิด สัตว์มีกระดูกสันหลัง 44,000 ชนิด

ทั้งนี้ ระดับจำนวนประชากรของสิ่งมีชีวิตจะแตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับสภาพของสิ่งแวดล้อม ความหลากหลายของชนิดจะแตกต่างกันไปตามพื้นที่ ซึ่งเป็นหลักพื้นฐานทางด้านชีวภูมิศาสตร์ พื้นที่ที่อยู่ในเขตร้อน และในทะเลลึกจะมีความหลากหลายของชนิดสูง และความหลากหลายของชนิดจะลดลงในพื้นที่ที่มีความผันแปรของอากาศสูง เช่น ในทะเลทรายหรือเขตขั้วโลก หรืออาจกล่าวได้ว่าในบริเวณเขตร้อน ในแถบละติจูดต่ำใกล้เส้นศูนย์สูตรจะมีความหลากหลายของชนิดสูง และจะลดลงเมื่ออยู่ในแถบละติจูดสูงๆ

2. ความหลากหลายทางพันธุกรรม

ความหลากหลายทางพันธุกรรม หมายถึง ความหลากหลายของหน่วยพันธุกรรม หรือยีน (Genes) ที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด สิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันอาจมียีนแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ เช่น ข้าวซึ่งมีสายพันธุ์มากมายหลายพันชนิด เป็นต้น

ความแตกต่างผันแปรทางพันธุกรรมในแต่ละหน่วยชีวิต มีสาเหตุมาจากการเปลี่ยนแปลงพันธุกรรม (Mutation) อาจเกิดขึ้นในระดับยีน หรือในระดับโครโมโซม ผสมผสานกับการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติได้น้อยมาก และเมื่อลักษณะดังกล่าวถูกถ่ายทอดไปยังรุ่นลูก จะทำให้เกิดความหลากหลายทางพันธุกรรม เช่น แมวที่มีลักษณะรูปร่างหลากหลายที่แตกต่างกัน เป็นต้น

ทั้งนี้ การถ่ายทอดยีนแต่ละรุ่นจะต้องเป็นไปอย่างมีความกดดันของวิวัฒนาการ เช่น การคัดเลือกโดยธรรมชาติ การอพยพ ความผกผันทางพันธุกรรม ฯลฯ ทำให้โครงสร้างทางพันธุกรรมของประชากรในแต่ละรุ่นเปลี่ยนแปลงไปได้ ซึ่งก็คือกระบวนการวิวัฒนาการทีละเล็กละน้อย ก่อให้เกิดความหลากหลายทางพันธุกรรมในประชากรต่างๆ ของสปีซีส์

จะเห็นได้อย่างชัดเจนในปัจจุบัน ที่มีการนำเทคโนโลยีชีวภาพมาปรับปรุงพันธุ์เพื่อให้ได้พันธุ์พืชที่มีสมบัติพิเศษ เช่น เพื่อต้านทานศัตรูพืช เพื่อต้านทานโรคพืช เป็นต้น จึงทำให้ได้ผลผลิตที่หลากหลายมากขึ้น

3. ความหลากหลายของระบบนิเวศ

ระบบนิเวศแต่ละระบบเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตมากมายหลายชนิด โดยมีสภาวะที่เหมาะสมกับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดในระบบนิเวศนั้นๆ ความหลากหลายของระบบนิเวศสามารถแยกออกได้ 3 ลักษณะ คือ

     3.1) ความหลากหลายของถิ่นกำเนิดตามธรรมชาติ

ตัวอย่างความหลากหลายของถิ่นกำเนิดตามธรรมชาติ เช่น ในผืนป่าทางตะวันตกของประเทศไทยที่มีลำน้ำใหญ่ไหลผ่าน จะพบถิ่นกำเนิดตามธรรมชาติมากมายคือ ลำน้ำ หาดทราย พรุซึ่งมีน้ำขัง ฝั่งน้ำ หน้าผา ถ้ำ ป่าบนที่ดอนซึ่งมีหลายประเภท

แต่ละถิ่นกำเนิดจะมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่แตกต่างกันไป เช่น ลำน้ำพบควายป่า หาดทรายมีนกยูงไทย หน้าผามีเลียงผา ถ้ำมีค้างคาว เป็นต้น เมื่อแม่น้ำใหญ่ถูกเปลี่ยนเป็นทะเลสาบขนาดใหญ่ภายหลังการสร้างเขื่อน ความหลากหลายของถิ่นกำเนิดก็ลดน้อยลง โดยทั่วไปแล้วที่ใดที่มีถิ่นกำเนิดตามธรรมชาติหลากหลาย ที่นั้นจะมีชนิดของสิ่งมีชีวิตหลากหลายตามไปด้วย

     3.2) ความหลากหลายของการทดแทน

ในป่านั้นมีการทดแทนของสังคมพืช กล่าวคือ เมื่อป่าถูกทำลายจะโดยวิธีใดก็ตาม เช่น ถูกแผ้วถาง พายุพัด ไม้ป่าหักโค่น เกิดไฟป่า น้ำท่วม หรือแผ่นดินถล่ม เกิดเป็นที่โล่ง ต่อมาจะมีพืชขึ้นใหม่เรียกว่า พืชเบิกนำ เช่น มีหญ้าคา สาบเสือ กล้วยป่า และเถาวัลย์เกิดขึ้นในที่โล่งนี้

เมื่อกาลเวลาผ่านไปก็มีต้นไม้เนื้ออ่อนโตเร็วเกิดขึ้น เช่น กระทุ่มน้ำ ปอหูช้าง ปอตองแตบ นนทรี เลี่ยน เกิดขึ้น และหากปล่อยไว้โดยไม่มีการรบกวน ป่าดั้งเดิมก็จะกลับมาอีกครั้ง เราเรียกกระบวนการนี้ว่า การทดแทนทางนิเวศวิทยา สิ่งมีชีวิตบางชนิดปรับตัวให้เข้ากับยุคต้นๆ ของการทดแทน บางชนิดก็ปรับตัวให้เข้ากับยุคสุดท้ายซึ่งเป็นป่าบริสุทธิ์

     3.3) ความหลากหลายของภูมิประเทศ

ในท้องที่บางแห่งมีถิ่นกำเนิดตามธรรมชาติมากมาย เช่น ลำน้ำ บึง หาดทราย ถ้ำ หน้าผา ภูเขา ลานหิน และมีสังคมพืชในหลายๆ ยุคของการทดแทน มีทุ่งหญ้าป่าโปร่งและป่าทึบ พื้นที่เช่นนี้จะมีพืชพรรณมากมาย ผิดกับเมืองหนาวที่มีต้นไม้ชนิดเดียวขึ้นอยู่บนเนื้อที่หลายร้อยไร่ เช่น ป่าสนเขา