Ģeogrāfiskās informācijas sistēmas (ĢIS) galvenie komponenti ir datori, programmatūra, dati, metodes un lietotāji. Tieši telpiski piesaistītie dati nodrošina ĢIS funcionalitāti, jo iespējams veikt dažādu datu slāņu telpisku pārklāšanu, šādi gūstot jaunas atziņas. Datori nodrošina precīzus attāluma un platību aprēķinus, kā arī veic koordinātu sistēmu transformāciju, datu interpolāciju un vizualizāciju.

ĢIS ir daļa no ģeomātikas jomas, kas apvieno to ar tālizpēti, ģeodēziju, kartogrāfiju un globālās navigācijas satelītu sistēmām (GNSS). ĢIS ir svarīgs lēmumu pieņemšanas atbalsta rīks, kas sniedz informāciju konkrētu problēmu risinājumam. ĢIS pienesums – tā ļauj apvienot telpiskos un netelpiskos datus, apstrādāt datus specifiskos veidos, kā arī veikt analīzes vairākos mērogos jeb tuvinājumos. ĢIS produkti – jaunas kartes (analīžu rezultāti), jauni dati un datu bāzes, statistiskie rādītāji (skaitliski, apkopoti tabulās).

ĢIS attīstība sākās 20. gs. 60. gados līdz ar datoru (skaitļotāju) attīstību universitātēs un pētniecības centros. Dažādas tehnoloģijas, piemēram, datubāzes, personālie datori un internets bija ļoti svarīgi ĢIS attīstībā.

1854. gadā Džons Snovs (John Snow) veica pirmo dokumentēto telpisko analīzi, izveidojot karti, kurā kopā attēloja holeras uzliesmojumu vietas Londonā un publisko ūdens pumpju novietojumu. Šāda karte viņam ļāva izdarīt secinājumu par slimības izplatības iemesliem.

Maikls Gūdčailds (Michael Goodchild) Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Nacionālajā ģeogrāfiskās informācijas un analīzes centrā (National Center for Geographic Information and Analysis) Santa Barbarā, Kalifornijā, 20. gs. 60. gados lika pamatus datorizētai telpiskajai analīzei un datu vizualizācijai. Šie panākumi bija daļa no tā sauktās “kvantitatīvās revolūcijas”, kā tiek dēvēts tehnoloģiskais izrāviens digitālo informācijas un komunikāciju tehnoloģiju jomā. 1963. gadā Rodžers Tomlinsons (Roger Tomlinson) Kanādā pēc valdības pasūtījuma izveidoja datorizētu dabas resursu uzskaites sistēmu, kas pirmo reizi izmantoja datu slāņu pieeju. Viņš arī pirmo reizi lietoja terminu “ģeogrāfiskā informācijas sistēma”. 1965. gadā Hovards Fišers (Howard Fisher) radīja pirmo ĢIS programmu SyMAP (Synteny Mapping and Analysis Program), kas spēja veidot kartes datorā. 1969. gadā Džeks Deindžermonds (Jack Dangermond) kopā ar sievu Loru Deindžermondu (Laura Dangermond) radīja Vides sistēmu pētniecības institūtu (Environmental Systems Research Institute, ESRI) – mūsdienās lielāko ĢIS tehnoloģiju uzņēmumu pasaulē (atrodas Redlendsā, Kalifornijā, ASV). 20. gs. 70. gados ASV Tautskaites birojs (US Census Bureau) Svitlendā, Mērilendā, pielietoja ĢIS principus, lai digitizētu tautskaites apgabalus, ceļu tīklu un apdzīvoto vietu robežas. 1982. gadā ASV tika likti pamati Ģeogrāfisko resursu analīzes atbalsta sistēmai (Geographic Resources Analysis Support System, GRASS GIS), kas ir viena no jaudīgākajām ĢIS programmām, kura ir brīvi pieejama.

Strauja ĢIS pielietojumu izplatība notika pēc 1990. gada, kad masveidā tika tirgoti programmējamie personālie datori. ĢIS pielietojumu šajā periodā vairāk ierobežoja datoru atmiņas apjoms, nevis to jauda, jo ģeogrāfiskie dati bieži aizņem daudz vietas datora atmiņā. Mūsdienās ĢIS tiek arvien vairāk bāzēta internetā un tās funkcionalitāte tiek integrēta daudzās citās datorsistēmās un lietojumprogrammās. Piemēram, ģeogrāfisko koordinātu saraksta pievienošana Excel izklājlapā dod iespēju vizualizēt datus arī kartes formā, kā arī pastāv iespēja veidot kartes un attēlot grafikus uz kartes statistikas programmā R (software R).

Ģeogrāfiskā telpa ĢIS tiek definēta, izmantojot Eiklīda vai Dekarta ģeometrijas likumus. Ģeogrāfisko koordinātu sistēmas un references elipsoīdi ir pamatā objektu telpiskajai piesaistei, izmantojot augstāko ģeodēziju.

Digitālās skaitļošanas tehnoloģijas (datori) kā viens no ĢIS galvenajiem aspektiem balstās datorzinātnē, sistēmu teorijā, kibernētikā un informācijas teorijā. ĢIS izmantotie matemātiskie aprēķini balstās statistikā, kopu teorijā un matemātiskajā loģikā.  

Pastāv trīs galvenās pieejas ĢIS:

1) karšu pieeja – ĢIS pamatā izmanto, lai sastādītu, noformētu un publicētu kartes;

2) datubāzes pieeja – ĢIS izmanto, lai uzkrātu, kārtotu un atlasītu datus;

3) telpiskās analīzes pieeja – ĢIS izmanto kā rīku kopu, lai risinātu praktiskas problēmas un sniegtu atbalstu lēmumu pieņemšanā.

ĢIS pamatā ir telpiski piesaistīti dati;, tie satur ģeogrāfiskās, vietējās vai nosacītās koordinātas, kas ļauj asociēt datu vērtības ar to novietojumu telpā. Piemēram, datubāzē ar veikalu sarakstu, platībām, darbinieku skaitu un klientu skaitu iespējams pievienot katra veikala ģeogrāfiskās koordinātas, kas ļauj veikalus (un tiem piesaistītās atribūtu vērtības) attēlot uz kartes pamata. Rezultējošās telpiskās struktūras iespējams identificēt, aprakstīt un analizēt, izmantojot ĢIS rīkus un metodes.

ĢIS datu modeli veido dažādi tematiskie slāņi, kas ir noteiktā sakārtojumā un ar vienotu telpisko piesaisti. Ģeogrāfiskajiem vektoru datiem ir raksturīga grafiskā komponente (objektu kontūras) un tiem piesaistītie atribūtu dati (objektu raksturlielumi). Vektoru datos objektus var attēlot, izmantojot punktus, līnijas, laukumus un virsmas. Dati tipiski tiek uzglabāti atsevišķos failos vai relāciju datubāzēs dažādos specifiskos formātos, kuri atbalsta telpisko piesaisti. Populārākie vektoru datu formāti ir apveidfails (shapefile, SHP), KML, MAP. Izplatīti ģeodatubāzu formāti ir GPKG, GDB, SQLite. 

Ģeogrāfiskos datus attēlo, izmantojot arī regulāru kvadrātu tīklu (rastra dati), neregulāru trijstūru tīklu (triangulated irregular network, TIN) un citas datu struktūras. Arī šiem objektiem ir piesaistītas diskrētas vai nepārtrauktas raksturlielumu vērtības. Bieži lietoti rastra datu formāti ir TIFF, IMG, ASC.

Galvenie ĢIS analīžu virzieni:

• ģeodatu apstrāde (geoprocessing) – rīku un metožu kopa datu apstrādei un manipulācijai, piemēram, datu slāņu apvienošana, apakškopu izdalīšana, datu transformācija u. c.,
• ģeokodēšana un telpiskā indeksācija – objektu attēlojumu sasaiste ar to ģeogrāfisko novietojumu dabā, piemēram, adrešu piešķiršana ēkām,
• ģeostatistika – dažādu telpiskajiem datiem specifisku statistisko rādītāju aprēķins, piemēram, globālais Morana I indekss raksturo kopējo autokorelāciju datukopā,
• telpiskā analīze – metožu kopums, kas sniedz atbildi un konkrētu jautājumu/problēmu, piemēram, īsākā maršruta atrašana kurjerpasta darbiniekam. Telpiskā analīze ietver arī rastra algebru, atribūtu lauku aprēķinus, telpiskos apvienojumus (spatial join), interpolāciju, telpisko regresiju un daudzas citas metodes.
• virsmu analīze, 3D analīze, tīklu analīze u. c. virzieni.

Ja ĢIS lietišķais segments nodarbojas ar praktisku problēmu risināšanu, tad ĢIS zinātne izdalāma kā atsevišķa joma, kura pievēršas ģeogrāfiskās informācijas izpētei, jaunu metožu izstrādei, veic esošo metožu aprobāciju un testēšanu. Šis process ietver arī publikācijas akadēmiskos žurnālos un mācību grāmatu sastādīšanu. Piemērs tam ir pētījums par regulāru kvadrātu vai sešstūru tīkla adekvātumu, lai reprezentētu reālās pasaules objektu formas un telpiskās struktūras, kas nepieciešamas telpiskai analīzei. Cits piemērs – tālizpētes datu segmentācijas algoritmu parametru izpēte, testējot parametru jutīgumu uz dažāda veida ievades datiem (dažādu sensoru iegūtiem attēliem).

ĢIS izmanto ļoti plaši. Dažādi ĢIS lietotāji fokusējas uz atšķirīgiem ĢIS aspektiem vai funkcionalitāti. Kartogrāfija mūsdienās balstās uz ĢIS, jo ģeogrāfiskie dati tiek uzglabāti digitālās datubāzēs un karšu veidošanas funkcionalitāte ir prioritāra.

Daudzi komersanti un valsts vai pašvaldību iestādes izmanto ĢIS risinājumus, kuri akcentē telpisko analīzi, kas izmanto maršrutēšanas un pozicionēšanas (GNSS) funkcionalitāti, piemēram, loģistikas uzņēmumi, apsardzes firmas un dažādi infrastruktūras uzturētāji. Komercijā ĢIS izmanto, lai vērtētu nekustamos īpašumus, noteiktu tirgus daļas, kā arī mārketingā, lai izvietotu vides reklāmas. Ģeoloģiskās izpētes un vides aizsardzības uzņēmumi un iestādes izmanto ĢIS kartogrāfisko, telpiskās analīzes un modelēšanas funkcionalitāti, kā arī datu publicēšanas iespējas, piemēram, lidostas paplašināšanas projektā tiek modelēts trokšņa apmērs, lai novērtētu tā ietekmi uz vidi. Aviācijā ĢIS izmanto lidojuma maršrutu plānošanā, lidojuma aizliegumu zonu un aviācijas karšu izveidē. Lauksaimniecībā ĢIS tiek izmantota precīzajā lauksaimniecībā, lai plānotu lauksaimniecības kultūras, paredzētu ražību, plānotu irigāciju un noteiktu erozijas riskus.

Telpiskā plānošana balstās uz ĢIS, analizējot un modelējot telpiskās sakarības, lai izveidotu teritoriju zonējumu. Liela daļa no tālizpētes datu apstrādes rīkiem ir integrēta (iekļauta) ĢIS, kuras bieži tiek izmantotas satelītattēlu, aerofotoainu un lāzerskenēšanas (Light Detection and Ranging, LIDAR) punktu mākoņu apstrādē. Arhitektūrā to izmanto readzamības un apgaismojuma analīzei, kā arī lai modelētu gājēju plūsmu un trokšņa izplatību.

1969. gadā dibinātais amerikāņu uzņēmums Environmental Systems Research Institute (ESRI) izstrādājis ArcGIS Pro (moderna un jaudīga telpisko datu apstrādes un analīzes programma, kas izmanto ESRI interneta pakalpojumu iespējas) un ArcGIS Desktop (tradicionālā telpisko datu apstrādes un analīzes programma, kuras iespējas ierobežo novecojusī programmas arhitektūra) programmatūras. 1992. gadā dibinātais zviedru uzņēmumums Hexagon Geospatial izstrādājis programmatūru Geomedia (viegli lietojama telpisko datu apstrādes un analīzes programma ar salīdzinoši šaurāku rīku klāstu). 1968. gadā dibinātais amerikāņu uzņēmums Precisely izstrādājis programmatūru MapInfo (jaudīga telpisko datu analīzes programma, kas piedāvā plašu analīzes rīku klāstu, bet ir mazāk draudzīga lietotājiem). Entuziastu grupas izstrādājušas brīvās atvērtā koda lietotājprogrammas QGIS un GRASS GIS, kuras pieejamas tīmekļa vietnēs un kuru uzlabošanā var piedalīties jomas lietpratēji. 

ĢIS mūsdienu attīstības stadijā sastopas ar vairākiem izaicinājumiem. Dominējošā tendence ir tāda, ka ĢIS tiek integrēta citās sistēmās un interneta lietotnēs. Tas kopumā ir veicinājis interesi par ģeotelpiskajām tehnoloģijām. Cits izaicinājums ir saistāms ar datu formātu pilnveidošanu, kas nozīmē ātrāku pāreju uz vektora datu formātu, kas atbalsta mazāku failu apjomu, vienkāršāku failu struktūru un integrētus topoloģiskos nosacījumus. Tas ir saistīts ar standartu ieviešanu un plašāku pieņemšanu. Mūsdienu atvērto datu politika ir veicinājusi datu pieejamību ĢIS lietotājiem un iespējas datu apmaiņai starp ĢIS datu ražotājiem un sabiedrību.