生物系统可以在不同层次上进行研究，从DNA到维持生命的反应。最基本的层次是基因组学，主要研究DNA结构、功能、修饰和利用。这个领域给我们提供了洞察碱基序列的机会，这些碱基序列编码了我们的生活和周围的自然世界。转录组学(Transcriptomics)是对系统内RNA浓度的研究，让我们了解在一个活的系统中，哪些细胞活动被优先处理或抑制。蛋白质组学是对蛋白质的研究，它能告诉我们蛋白质在一个生命系统中的组成和位置每个层次的单独的分析都会有一定的局限性。例如，对DNA的研究只告诉我们可能发生的事情，而并不没有告诉我们这DNA序列是否一定会被表达出来。RNA的研究会告诉我们将要发生什么，RNA编码细胞想要产生的蛋白质，然而超过一半的蛋白质经过翻译后的修饰，这些修饰却在一级序列mRNA中没有被解释。蛋白质的活性也与转录率没有直接关系，这使得mRNA的丰度成为一个不可靠的检测方式。最后，一种蛋白质存在于有机体中，并不意味着它是活跃的;如上所述，许多蛋白质经过翻译后修饰，这些修饰可用于激活或失活这些蛋白质。此外，一些蛋白质与其他蛋白质或RNA分子形成复合物，在全系统的蛋白质浓度研究中很难解释这些相互作用。
最后一个层次的研究是分析系统内的小分子，以及它们的存在和浓度随时间的变化; 即在生物系统内研究化学过程。 这一领域的研究被称为代谢组学，它的独特之处在于，人们不会通过观察实际的生物机制来推断和解释活性，而是通过观察研究构成这些生物过程的起始物质、中间产物和产物的小分子分析生物系统。无论是在一个时间还是在一段时间内，对一个系统中所有小分子的综合分析都可以体现细胞、组织和有机体的状况。
代谢组学是研究生物系统中所有代谢产物的化学过程。代谢物是细胞代谢过程中的底物、中间物和产物的小分子。代谢物和代谢物组是生物体内所有小分子的完整组合，研究它们是极具挑战性的，因为代谢物的种类繁多，浓度范围分布也很广。此外，用于代谢组学分析的细胞基质差异很大; 代谢组学常见的研究样本有细胞和组织消化液、血清和血浆、尿液、唾液、粪便、汗液、呼出的气以及胃肠液。每一个样本都需要一个单独的提取和纯化程序来分离所需的代谢产物。
代谢组是指在一个特定生物系统中发现的完整的一套小分子化学物质，从一个细胞器到一个完整的有机体。小分子的定义是分子质量<1.5 KDa (<1,500 g/mol)。但也有例外，一些脂质和白蛋白也是被计入在代谢组中。由于代谢组学是不断变化的，并由大量不同大小、结构和功能的分子组成，所以没有任何一种单一的分析技术和样品处理程序可以分析一个代谢组系统中所有的小分子。研究人员对人类和其他物种的代谢组分类作出了重大努力。2003年斯克里普斯研究所的Siuzdak实验室创建METLIN数据库，并于2005年向公众开放，METLIN是世界最大的串联质谱数据存储库，其中的数据都是在高标准实验下收集的。METLIN数据库拥有超过45万的代谢物或由实验质谱数据所确定的其他化学实体，拥有超过3万的注册用户，这些代谢物和小分子组成了广泛的生物系统，不仅仅是人类。有关于人类代谢组的第一篇稿件由卡尔加里大学和阿尔伯塔大学联合发表于2007年发表。在人体中发现了2500种代谢物、1200种药品和3500种食物成分; 每一种成分平均包括有90种不同的条目，包括核磁共振和质谱、结构信息、生物液体浓度、疾病关联等信息，这项工作可以在人体代谢组数据库中查询，并更新。
如上所述，代谢物是指在生物系统中分子质量小于1.5 KDa的小分子。这个规律也有一些例外，一些脂类和白蛋白作也包括在内，尽管它们的质量是>1.5 KDa。代谢物可以分为不同的种类。初级代谢产物是一个生物体正常生长,发展,繁殖所产生所必需的小分子。如：蛋白质、脂类、碳水化合物和维生素。次生代谢产物与生物体生长发育间接的相关,但具有重要的生态学和生物学意义,它们可以刺激生长或保护生物体免受伤害。如人类的次生代谢物荷尔蒙。植物次生代谢产物主要用于防御或者信号传递,同时被人类发现可以作为各种各样的药物、调味剂、颜料和消遣性毒品。
代谢物可分为内源性或外源性，更适合于人类代谢物的分类。内源代谢物由机体自身产生;如有氧细胞呼吸中柠檬酸循环的任何中间物。外源性代谢物是一种小分子，不在机体内产生与发现，来源于外界。包括药物、环境污染物、毒素和食品添加剂。外源性代谢物经人类代谢的产物被称为异种代谢产物(例如，药物代谢的副产物) 。
