合成生物学，这一概念最初由Hobom B.于1980年提出，旨在描述基因重组技术。随着分子系统生物学的演进，2000年E. Kool重新定义合成生物学为基于系统生物学的遗传工程。这一学科通过基因片段、人工碱基DNA的研究，探索分子、基因调控网络与信号传导路径的构建，乃至对细胞的人工设计与合成，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等领域。合成生物学、计算生物学与化学生物学共同构成系统生物技术的方法基础。
合成生物学的核心在于将“基因”连接成网络，赋予细胞执行设计者预设的各种任务。例如，将网络与简单细胞结合，可以提高生物传感性，帮助检测人员定位地雷或生物武器。此外，向网络引入人体细胞，能够制成用于器官移植的完整器官。让·维斯，麻省理工学院计算机工程师，自研究生时期便对生物学产生浓厚兴趣，开始为细胞编程，如今已成为合成生物学的领军人物。维斯与他的导师、计算机工程师与生物学家汤姆·奈特希望开发出一组生物组件，能简便组装成不同“产品”。
研究人员致力于控制细胞行为，设计各种基因线路，即特别设计、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开关”，允许所选择的细胞功能随意切换。加州大学生合成生物学与物理学教授埃罗维茨等人则研究了一种线路，当特殊蛋白质含量变化时，细胞能在发光与非发光状态间转换，实现生物分子计算。维斯与加州理工学院化学工程师阿诺尔合作，采用“定向进化”方法，精细调整线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。维斯目前专注于研究一组称为“规则系统”的基因，希望细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的变化作出反应。这一研究可用于探测地雷位置：细菌靠近地雷时发绿光，远离时发红光。维斯的另一项大胆计划是为成年干细胞编程，以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞修复受损的心脏或生产合成膝关节。尽管工作尚处于初期阶段，但对生物学调控领域而言，这标志着重要进展。
“合成生物学”的概念更早可追溯至波兰科学家Waclaw Szybalski采用“合成生物学”术语，目睹分子生物学进展与限制性内切酶的发现可能预示合成生物体的存在。而“系统生物学”则源于贝塔朗菲的“有机生物学”，其定义“有机”为“整体或系统”的概念，并采用开放系统论、数学模型与计算机方法研究生物学。
随着计算机、生物信息、基因合成与基因测序技术的进步，计算机辅助设计、全基因乃至基因组人工合成成为可能，突破了生物工程产业化的技术瓶颈，使生物产业进入工程化与设计化的发展阶段。这一发展将带来系统科学与自动通讯技术理论研究与技术转化之间的互动，以及系统科学与生物技术、系统生物学与合成生物学之间的密切互动。这将加速系统生物技术基础研究向应用开发的转化，即“转化科学”与“转化生物学”的发展。
合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，近年来合成生物物质的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。