علم البيئة النظري هو المنهج العلمي المكرَّس لدراسة النظم البيئية باستخدام الأساليب النظرية مثل النماذج النظرية البسيطة والنماذج الرياضية والمحاكاة الحاسوبية والتحليل المتقدم للبيانات. تعمل النماذج الفعالة على تحسين فهم العالم الطبيعي من خلال الكشف عن كيفية استناد ديناميات مجموعات الأنواع إلى الظروف والعمليات البيولوجية الأساسية. أضف إلى ذلك أن هذا المجال يهدف إلى توحيد مجموعة متنوعة من الملاحظات التجريبية من خلال افتراض أن العمليات الآلية المشتركة تولّد ظواهر يمكن ملاحظتها عبر الأنواع والمحيطات البيئية. استنادًا إلى افتراضات واقعية بيولوجيًا، يستطيع علماء البيئة النظرية اكتشاف لمحات جديدة غير بديهية حول العمليات الطبيعية. غالبًا ما يتم التحقق من النتائج النظرية من خلال الدراسات التجريبية والرصدية، ما يكشف عن قوة الأساليب النظرية في التنبؤ وفهم العالم البيولوجي الصاخب والمتنوع.
علم البيئة النظري مجال واسع ويشمل الأسس في الرياضيات التطبيقية وعلوم الكمبيوتر والأحياء والفيزياء الإحصائية وعلم الوراثة والكيمياء والتطور وبيولوجيا الحفظ. يهدف علم البيئة النظري إلى توضيح مجموعة متنوعة من الظواهر في علوم الحياة مثل نمو المجتمعات ودينامياتها، والثروات السمكية والمنافسة ونظرية التطور وعلم الأوبئة وسلوك الحيوان وديناميات المجموعات والشبكات الغذائية والنظم البيئية والبيئة المكانية وآثار تغير المناخ.
استفاد علم البيئة النظري من ظهور قوة الحوسبة السريعة، ما سمح بتحليل وتصور المحاكاة الحاسوبية واسعة النطاق للظواهر البيئية. الأهم من ذلك هو أن هذه الأدوات الحديثة توفر تنبؤات كمية حول آثار التغير البيئي الناجم عن الأنشطة البشرية على مجموعة متنوعة من الظواهر البيئية، مثل: غزو الأنواع وتغير المناخ وتأثير الصيد البري والبحري على استقرار شبكة الأغذية ودورة الكربون العالمية.