ГІС зберігає інформацію про реальний світ у вигляді набору тематичних шарів, які об'єднані на основі географічного положення. Цей простий, але дуже гнучкий підхід довів свою цінність при вирішенні різноманітних реальних завдань: для відстеження пересування транспортних засобів і матеріалів, детального відображення реальної обстановки і планованих заходів, моделювання глобальної циркуляції атмосфери.   

Будь географічна інформація містить відомості про просторове положення, будь то прив'язка до географічних або іншим координатам, або посилання на адресу, поштовий індекс, виборчий округ або округ перепису населення, ідентифікатор земельної або лісової ділянки, назва дороги і т.п. При використанні подібних посилань для автоматичного визначення місця розташування або місць розташування об'єкта (об'єктів) застосовується процедура, звана геокодування. З її допомогою можна швидко визначити і подивитися на карті де знаходиться цікавить вас об'єкт або явище, такі як будинок, в якому проживає ваш знайомий або знаходиться потрібна вам організація, де стався землетрус або повінь, за яким маршрутом простіше і швидше дістатися до потрібного вам пункту або будинку.

Векторна і растрова моделі. ГІС може працювати з двома істотно відмінними типами даних - векторними і растровими. У векторній моделі інформація про точках, лініях і полігонах кодується і зберігається у вигляді набору координат X, Y. Місце розташування точки (точкового об'єкта), наприклад бурової свердловини, описується парою координат (X, Y). Лінійні об'єкти, такі як дороги, річки або трубопроводи, зберігаються як набори координат X, Y. Полігональні об'єкти, типу річкових водозборів, земельних ділянок або областей обслуговування, зберігаються у вигляді замкнутого набору координат. Векторна модель особливо зручна для опису дискретних об'єктів і менше підходить для опису безупинно мінливих властивостей, таких як типи грунтів або доступність об'єктів. Растрова модель оптимальна для роботи з безперервними властивостями. Растрове зображення являє собою набір значень для окремих елементарних складових (осередків), воно подібно відсканованої карті або картинці. Обидві моделі мають свої переваги і недоліки. Сучасні ГІС можуть працювати як з векторними, так і з растровими моделями.

Завдання, які вирішує ГІС. ГІС загального призначення, в числі іншого, зазвичай виконує п'ять процедур (задач) з даними: введення, маніпулювання, управління, запит і аналіз, візуалізацію.

Введення. Для використання в ГІС дані повинні бути перетворені у відповідний цифровий формат. Процес перетворення даних з паперових карт в комп'ютерні файли називається оцифруванням. В сучасних ГІС цей процес може бути автоматизований із застосуванням сканера технології, що особливо важливо при виконанні великих проектів, або, при невеликому обсязі робіт, дані можна вводити за допомогою дігітайзера. Багато дані вже переведені у формати, безпосередньо сприймаються ГІС-пакетами.

Маніпулювання. Часто для виконання конкретного проекту наявні дані потрібно додатково видозмінити відповідно до вимог вашої системи. Наприклад, географічна інформація може бути в різних масштабах (осьові лінії вулиць маються в масштабі 1: 100 000, межі округів перепису населення - в масштабі 1: 50000, а житлові об'єкти - в масштабі 1: 10000). Для спільної обробки і візуалізації всі дані зручніше представити в єдиному масштабі. ГІС-технологія надає різні способи маніпулювання просторовими даними і виділення даних, потрібних для конкретного завдання.

Управління. У невеликих проектах географічна інформація може зберігатися у вигляді звичайних файлів. Але при збільшенні обсягу інформації і зростанні числа користувачів для зберігання, структурування та управління даними ефективніше застосовувати системи управління базами даних (СКБД), то спеціальними комп'ютерними засобами для роботи з інтегрованими наборами даних (базами даних). У ГІС найбільш зручно використовувати реляційну структуру, при якій дані зберігаються в табличній формі. При цьому для зв'язування таблиць застосовуються загальні поля. Цей простий підхід досить гнучкий і широко використовується в багатьох, як ГІС, так і не ГІС додатках.

Запит і аналіз. При наявності ГІС і географічної інформації Ви зможете отримувати відповіді прості запитання (Хто власник даної земельної ділянки? На якій відстані один від одного розташовані ці об'єкти? Де розташована дана промзона?) І більш складні, потребують додаткового аналізу, запити (Де є місця для будівництва нового будинку? Який основний тип грунтів під ялиновими лісами? Як вплине на рух транспорту будівництво нової дороги?). Запити можна задавати як простим клацанням мишею на певному об'єкті, так і з допомогою розвинених аналітичних засобів. За допомогою ГІС можна виявляти і задавати шаблони для пошуку, програвати сценарії за типом "що буде, якщо ...".

Сучасні ГІС мають безліч потужних інструментів для аналізу, серед них найбільш значущі два: аналіз близькості і аналіз накладення. Для проведення аналізу близькості об'єктів відносно один одного в ГІС застосовується процес, званий буферизацией. Він допомагає відповісти на питання типу: Скільки будинків знаходиться в межах 100 м від цієї водойми? Скільки покупців живе не далі 1 км від даного магазину? Яка частка видобутої нафти зі свердловин, що знаходяться в межах 10 км від будівлі керівництва даного НГВУ? Процес накладення включає інтеграцію даних, розташованих у різних тематичних шарах. У найпростішому випадку це операція відображення, але при ряді аналітичних операцій дані з різних верств об'єднуються фізично. Накладення, або просторове об'єднання, дозволяє, наприклад, інтегрувати дані про грунти, ухилі, рослинності і землеволодінні зі ставками земельного податку.

Візуалізація. Для багатьох типів просторових операцій кінцевим результатом є представлення даних у вигляді карти або графіка. Карта - це дуже ефективний і інформативний спосіб зберігання, подання та передачі географічної (що має просторову прив'язку) інформації. Раніше карти створювалися на сторіччя. ГІС надає нові дивовижні інструменти, що розширюють і розвиваючі мистецтво і наукові основи картографії. З її допомогою візуалізація самих карт може бути легко доповнена звітними документами, тривимірними зображеннями, графіками і таблицями, фотографіями та іншими засобами, наприклад, мультимедійними.

Пов'язані технології. ГІС тісно пов'язана низкою інших типів інформаційних систем. Її основна відмінність полягає в здатності маніпулювати і проводити аналіз просторових даних. Хоча і не існує єдиної загальноприйнятої класифікації інформаційних систем, наведене нижче опис має допомогти дистанціюватися ГІС від настільних картографічних систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанційного зондування (remote sensing), систем управління базами даних (СУБД або DBMS) і технології глобального позиціонування (GPS)

Системи настільного картографування використовують картографічне представлення для організації взаємодії користувача з даними. У таких системах все засновано на картах, карта є базою даних. Більшість систем настільного картографування має обмежені можливості управління даними, просторового аналізу і настройки. Відповідні пакети працюють на настільних комп'ютерах - PC, Macintosh і молодших моделях UNIX робочих станцій. 

Системи САПР здатні креслення проектів і плани будівель та інфраструктури. Для об'єднання в єдину структуру вони використовують набір компонентів з фіксованими параметрами. Вони грунтуються на невеликому числі правил об'єднання компонентів і мають дуже обмежені аналітичні функції. Деякі системи САПР розширені до підтримки картографічного представлення даних, але, як правило, наявні в них утиліти не дозволяють ефективно управляти і аналізувати великі бази просторових даних.

Дистанційне зондування і GPS. Методи дистанційного зондування - це мистецтво і науковий напрям для проведення вимірювань земної поверхні з використанням сенсорів, таких як різні камери на борту літальних апаратів, приймачі системи глобального позиціонування або інших пристроїв. Ці датчики збирають дані у вигляді зображень і забезпечують спеціалізовані можливості обробки, аналізу та візуалізації отриманих зображень. Зважаючи на відсутність достатньо потужних засобів управління даними та їх аналізу, відповідні системи навряд чи можна віднести до справжніх ГІС.

Системи управління базами даних призначені для зберігання і управління всіма типами даних, включаючи географічні (просторові) дані. СУБД оптимізовані для подібних завдань, тому в багато ГІС вбудована підтримка СУБД. Ці системи не мають подібних з ГІС інструментів для аналізу і візуалізації.