合成生物學的本質是讓細胞為人類工作生產想要的物質。該技術突破自然進化的限制，以“人工設計與編寫基因組”為核心，可針對特定需求從工程學角度設計構建元器件或模塊。通過這些元器件對現有自然生物體系進行改造和優化，或者設計合成全新可控運行的人工生物體系。它把“自下而上”的“建造”理念與系統生物學“自上而下”的“分析”理念相結合，利用自然界中已有物質的多樣性，構建具有可預測和可控制特性的遺傳、代謝或信號網絡的合成成分。合成生物學的研究內容主要包括生物元件、基因線路、代謝工程以及基因組工程。
合成生物學難度有高低，可分為三個階段：一是利用現有的天然生物模塊構建新的調控網絡并表現出新功能；二是采用從頭合成方法人工合成基因組 DNA；三是人工創建全新的生物系統乃至生命體。合成生物學生產化學品的核心技術包括基因測序和編輯、菌種培育篩選、產品純化分離。目前，合成生物學正處于產業化的關鍵階段，產品種類迅速增加，新產品驗證和對傳統化學法的替代并行。
合成生物學與計算機科學相似度很高。合成生物學的目標是擴展或改變生物的行為，并對其進行改造服務產品生產。合成生物學過程的目標和方法可以用計算機的層次結構類比。在層次結構中，每個組成部分都包含在更復雜的系統中。在設計新行為時會先考慮到層次結構的頂部，但是實現的過程是自下而上的。層次結構的底部是 DNA，RNA，蛋白質和代謝產物（包括脂質和碳水化合物，氨基酸和核苷酸），類似于計算機中的晶體管、電容器和電阻器等。上一層是設備層，包括生化反應，該反應調節信息流并操縱物理過程，類似于在計算機中執行計算的邏輯門。在模塊層，利用各種各樣的生物設備庫來組裝起類似于集成電路一樣功能的復雜路徑。這些模塊彼此之間的連接以及它們在宿主細胞中的整合，使合成生物學家能夠以編程方式擴展或修改細胞的行為。
