生物系統可以在不同層次上進行研究，從DNA到維持生命的反應。最基本的層次是基因組學，主要研究DNA結構、功能、修飾和利用。這個領域給我們提供了洞察堿基序列的機會，這些堿基序列編碼了我們的生活和周圍的自然世界。轉錄組學(Transcriptomics)是對系統內RNA濃度的研究，讓我們了解在一個活的系統中，哪些細胞活動被優先處理或抑制。蛋白質組學是對蛋白質的研究，它能告訴我們蛋白質在一個生命系統中的組成和位置每個層次的單獨的分析都會有一定的局限性。例如，對DNA的研究只告訴我們可能發生的事情，而并不沒有告訴我們這DNA序列是否一定會被表達出來。RNA的研究會告訴我們將要發生什么，RNA編碼細胞想要產生的蛋白質，然而超過一半的蛋白質經過翻譯后的修飾，這些修飾卻在一級序列mRNA中沒有被解釋。蛋白質的活性也與轉錄率沒有直接關系，這使得mRNA的豐度成為一個不可靠的檢測方式。最后，一種蛋白質存在于有機體中，并不意味著它是活躍的;如上所述，許多蛋白質經過翻譯后修飾，這些修飾可用于激活或失活這些蛋白質。此外，一些蛋白質與其他蛋白質或RNA分子形成復合物，在全系統的蛋白質濃度研究中很難解釋這些相互作用。
最后一個層次的研究是分析系統內的小分子，以及它們的存在和濃度隨時間的變化; 即在生物系統內研究化學過程。 這一領域的研究被稱為代謝組學，它的獨特之處在于，人們不會通過觀察實際的生物機制來推斷和解釋活性，而是通過觀察研究構成這些生物過程的起始物質、中間產物和產物的小分子分析生物系統。無論是在一個時間還是在一段時間內，對一個系統中所有小分子的綜合分析都可以體現細胞、組織和有機體的狀況。
代謝組學是研究生物系統中所有代謝產物的化學過程。代謝物是細胞代謝過程中的底物、中間物和產物的小分子。代謝物和代謝物組是生物體內所有小分子的完整組合，研究它們是極具挑戰性的，因為代謝物的種類繁多，濃度范圍分布也很廣。此外，用于代謝組學分析的細胞基質差異很大; 代謝組學常見的研究樣本有細胞和組織消化液、血清和血漿、尿液、唾液、糞便、汗液、呼出的氣以及胃腸液。每一個樣本都需要一個單獨的提取和純化程序來分離所需的代謝產物。
代謝組是指在一個特定生物系統中發現的完整的一套小分子化學物質，從一個細胞器到一個完整的有機體。小分子的定義是分子質量<1.5 KDa (<1,500 g/mol)。但也有例外，一些脂質和白蛋白也是被計入在代謝組中。由于代謝組學是不斷變化的，并由大量不同大小、結構和功能的分子組成，所以沒有任何一種單一的分析技術和樣品處理程序可以分析一個代謝組系統中所有的小分子。研究人員對人類和其他物種的代謝組分類作出了重大努力。2003年斯克里普斯研究所的Siuzdak實驗室創建METLIN數據庫，并于2005年向公眾開放，METLIN是世界最大的串聯質譜數據存儲庫，其中的數據都是在高標準實驗下收集的。METLIN數據庫擁有超過45萬的代謝物或由實驗質譜數據所確定的其他化學實體，擁有超過3萬的注冊用戶，這些代謝物和小分子組成了廣泛的生物系統，不僅僅是人類。有關于人類代謝組的第一篇稿件由卡爾加里大學和阿爾伯塔大學聯合發表于2007年發表。在人體中發現了2500種代謝物、1200種藥品和3500種食物成分; 每一種成分平均包括有90種不同的條目，包括核磁共振和質譜、結構信息、生物液體濃度、疾病關聯等信息，這項工作可以在人體代謝組數據庫中查詢，并更新。
如上所述，代謝物是指在生物系統中分子質量小于1.5 KDa的小分子。這個規律也有一些例外，一些脂類和白蛋白作也包括在內，盡管它們的質量是>1.5 KDa。代謝物可以分為不同的種類。初級代謝產物是一個生物體正常生長,發展,繁殖所產生所必需的小分子。如：蛋白質、脂類、碳水化合物和維生素。次生代謝產物與生物體生長發育間接的相關,但具有重要的生態學和生物學意義,它們可以刺激生長或保護生物體免受傷害。如人類的次生代謝物荷爾蒙。植物次生代謝產物主要用于防御或者信號傳遞,同時被人類發現可以作為各種各樣的藥物、調味劑、顏料和消遣性毒品。
代謝物可分為內源性或外源性，更適合于人類代謝物的分類。內源代謝物由機體自身產生;如有氧細胞呼吸中檸檬酸循環的任何中間物。外源性代謝物是一種小分子，不在機體內產生與發現，來源于外界。包括藥物、環境污染物、毒素和食品添加劑。外源性代謝物經人類代謝的產物被稱為異種代謝產物(例如，藥物代謝的副產物) 。
