「生物多様性」は、いくつかの側面があるため、標準的な一義的な定義というものはないが、以下の3つの定義で説明ができる。
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「生物学的構造の全てのレベルでの生命の多様性」 - 最も簡単な定義
「異なる生態系に存在する生物間での相対的な多様性の尺度」 - この定義の「多様性」は、1種内の多様性、種間の多様性、および生態系間の多様性を含む。
「ある地域における遺伝子・種・生態系の総体」 - この定義の長所は、実態をうまく表しているように思われることと、生物多様性として定義されてきた慣例的な3段階の切り口を統一的に扱える点である。
遺伝的多様性 ? ある1種の中での遺伝子の多様性。同じ種の中での個体間の違いと、個体群間の違いがある（→集団遺伝学も参照されたい）。
種多様性 ? 種間の多様性（簡単に言えば、多くの種が存在すること）。
生態系の多様性 ? より高次の水準、すなわち生態系（遺伝子が究極的に寄与する、異なった諸過程の豊富さ）における多様性。
上記の定義のうち最後のものは、生物学における伝統的な5つの生物の層（個体・個体群・生物群集・生態系・景観）と同じであり、複数のレベルでのアプローチに付加的な正当性を与えている。
1992年にリオデジャネイロ市で開催された環境と開発に関する国際連合会議（地球サミット）では、生物多様性は次のように定義された：
「すべての生物（陸上生態系、海洋その他の水界生態系、これらが複合した生態系その他生息又は生育の場のいかんを問わない。）の間の変異性をいうものとし、種内の多様性、種間の多様性及び生態系の多様性を含む」
これは生物の多様性に関する条約で採用された定義であって、生物多様性に関して法的に認められた唯一の定義と言えるものに最も近い。この条約には、アンドラ、ブルネイ、バチカン、イラク、ソマリア、東ティモール、アメリカ合衆国を除く全ての国が締約国として参加している。
E.O.ウィルソンが言うように、遺伝子が自然選択における根本の単位であるならば、生物多様性は実質的には遺伝的多様性であるといえるが、研究の際に最も扱いやすいのは、種多様性である。
遺伝学者にとって、生物多様性とは、遺伝子や個体の多様性のことである。かれらは、DNAレベルで起きて進化を発生させる諸過程（突然変異、遺伝子の交換、遺伝子の動態）について研究する。
生物学者にとって、生物多様性とは、生物の個体群や種の多様性のことであり、さらにはそれらの生物が果たす役割のことでもある。生物は現れては絶滅する。すなわち、ある場所は、同種の生物によって占められたり、別種のものにとって代わられたりする。種によっては、生殖戦略を発展させるために社会構造を発達させる。
生態学者にとって、生物多様性とは、種間の持続的な相互作用の多様性のことでもある。このことは、'種'についてだけでなく、生物が直接接する環境（生息空間） および更に広範囲な地域についても当てはまる。各々の生態系の中で、生きている生物は全体を構成する一部分であり、個体同士のみならず、空気、水、土壌など彼らをつつむ全てと相互に影響しあっている。