В. І. Вернадський відніс до біосфери ширші шари земних оболонок, де не тільки мешкають живі організми, а й знаходяться речовини, створені в минулому живою матерією (торф, кам'яне вугілля, осадові породи тощо). Він розглядав біосферу не просто як просторову категорію, а як складну єдину систему — оболонку, в якій живі істоти перебувають у складній взаємодії як із неживою природою (повітрям, водою, сонячною енергією), так і між собою і цим визначають хімічний стан зовнішньої кори нашої планети.
Мислитель визначив межі біосфери, вказавши, що до неї входять уся гідросфера Землі, верхня частина літосфери до глибини 2 — З км, де ще є живі бактерії, і нижня частина атмосфери. Він розглядав біосферу як зону перетворення цієї космічної енергії трансформаторами, що в ній знаходяться.
Багато уваги у своїх працях В. І. Вернадський приділяв зеленій речовині рослин, тобто хлорофілу, оскільки лише він здатний кристалізувати променисту енергію Сонця та з її допомогою створювати первинні органічні сполуки з вуглекислого газу, повітря і водних розчинів. Розглядаючи обсяг і енергетичні коефіцієнти різних груп рослинності, вчений дійшов висновку, що головними трансформаторами сонячної енергії в хімічну енергію біосфери є одноклітинні зелені водорості океану, що дуже швидко розмножуються. Значну роль у цьому процесі відіграють також ліси тропічного поясу. Ось чому інтенсивне вирубування тропічних лісів у Південній Америці, Африці та Індонезії, забруднення океану, що пригнічує ріст водоростей, є вкрай несприятливими факторами, що порушують екологічну рівновагу біосфери наприкінці XX ст. В. І. Вернадський узагальнив і поширив проблему простору - часу на простір і час живої матерії: «... повертаючись до живої речовини, ми базуватимемося на тому, що в ньому — в його прояві взагалі — час і простір невіддільні» . Мислитель підходив до дослідження простору — часу як до явища, котре має будову, тобто структуру, підкреслюючи, що це явище не тільки структурно, а й фізично володіє різними станами. Він наполягав на значних відмінностях, які існують між часом, що вимірюється всередині живих організмів, і часом «косної» (неживої") матерії. Позаяк існує різниця симетрії простору в просторі — часі живої та «косної» речовини, необхідно розрізняти і відокремлювати час життя від планетного часу.
Упродовж десятків років учений досліджував роль людини в перебудові поверхні Землі. Вивчаючи мінералогію, він зацікавився масштабами технічної діяльності людства в царині видобування з надр Землі різних мінералів і руд, їх переробки, отримання людиною нових, невідомих у природі в самородному вигляді, металів і хімічних сполук. Він дійшов висновку, що масштаби людської діяльності зростають і їх можна порівняти з масштабами природних геологічних явищ. Уже в ранніх працях В. І. Вернадський писав, що технічна діяльність людства являє собою процес, накладений на природні процеси, тому він чужий їм і протиприродний. У пізніших працях мислитель стверджував, що еволюційна поява людини і розвиток наукової думки — це також природний процес, як усе в навколишньому світі. А звідси — його висновок про те, що наукова думка людства має розвиватися відповідно до законів природи, а не протиставляючи себе їм.
У праці «Автотрофність людства», вперше опублікованій 1925 р. у Парижі, учений вперше написав про те, що в біосфері існує велика геологічна, можливо навіть космічна, сила. Вона не є проявом енергії чи формою, проте вплив її на перебіг земних енергетичних явищ — «глибокий і сильний, і повинен мати відбиток, хоч і менш сильний, але, безперечно, і поза земною корою, в бутті самої планети». Ця сила — «розум людини, спрямована та організована воля як істоти суспільної»1. В. І. Вернадський не тільки підкреслював міць впливу людського суспільства на середовище, а й наголошував: «Воно одне змінює в новий спосіб і з наростаючою швидкістю структуру самих основ біосфери. Воно стає дедалі незалежнішим від інших форм життя та еволюціонує до нового життєвого прояву».
Мислитель наполягав на нерозривності зв'язку людини з живою речовиною планети, з сукупністю організмів, які водночас існують з ним чи існували до нього, і, насамперед, — походженням. «Хоч як далеко занурювалися б ми в минуле, — писав він, — можемо бути певними, що стрінемо в ньому живі покоління, поза сумнівом генетичне зв'язані одне з одним». Навіть більше, вчений орієнтовно підрахував кількість поколінь (понад 200), які заступали одне одного від часу народження у людському суспільстві великих конструкцій релігії, філософії та науки. «Кілька сот поколінь відділяють нас від епохи, коли з'явилися перші зародки людського мистецтва, музики, міфів та магії, з яких виросли релігії, наука, філософія ... Але походження людини криється у ще віддаленіших країнах часу ... Хоч як далеко заходила б наша думка або наші наукові дослідження в геологічне минуле землі, ми констатуємо те саме явище існування в земній корі єдиного цілісного життя». Слід віддати належне правдивості вченого — він зізнався в тому, що походження людини на Землі було найглибшою космічною таємницею для еллінів і такою самою таємницею залишилося для нас. Водночас він поділяв принцип флорентійського натураліста Ф. Реді (1626 — 1698), який твердив, що будь-який живий організм походить від іншого живого організму. А тому Вернадський не погоджувався з твердженням, начебто живий організм зародився в земній корі завдяки самочинним змінам «косної» матерії. Він наполягав на тому, що з позицій науки ми не можемо розглядати життя інакше, як явище, що існує неперервно від найдавніших геологічних епох, і жива речовина впродовж усього часу еволюції була різко відділена від «косної» матерії. «... очевидно, — писав В. І. Вернадський, — життя не є просте виключно земне явище, але, наскільки принцип Реді відповідає реальності, має розглядатися як космічне явище історії нашої планети. І також очевидно, що моноліт життя в цілому не є простим зібранням окремих неподільних, випадково зібраних, але є складною організованістю, частини якої мають функції, які взаємодоповнюють одна одну і допомагають одна одній» .
Природознавець підкреслював нерозривність зв'язку людини з життям усіх живих істот ще й з причини харчування. Людина змушена на нинішньому етапі своєї еволюції підтримувати своє фізичне існування через засвоєння інших організмів або продукції їхнього життя. Людина змушена нищити" інші істоти, вона гине, якщо не знаходить у земній корі інших земних істот, якими могла б харчуватися. Залежність людини від живого цілого завдяки її харчуванню визначає все її існування. «Зміна режиму — в разі, якби це сталося, — мала б великі наслідки... Проблеми харчування і виробництва слід переглянути. Внаслідок цього обов'язково настане переворот у самих соціальних принципах, що керують суспільною думкою». Що мав на увазі Вернадський, коли писав про зміну режиму харчування людини, яка є гетеротрофною? «Це, насамперед, — розвиток науки, яка прагне знайти нові форми енергії у світі та створити великі хімічні синтези органічної речовини»3. Щоправда, Вернадський тут же підкреслює, що засобів, якими користується наука, дуже мало, але з властивим йому оптимізмом сподівається на нові методи дослідження, оскільки «... немає сили на землі, котра могла б стримати людський розум у його прагненні, коли він осягнув, як у даному випадку, значення істин, що розкриваються перед ним... Користуючись безпосередньо енергією Сонця, людина оволодіває джерелом енергії зелених рослин, тією її формою, якою вона зараз користується опосередковано через останні для своєї їжі та для палива» .
У 1944 р. В. І. Вернадський написав знамениту статтю «Декілька слів про ноосферу». Термін «ноосфера» було запропоновано Е. Леруа 1927 р. Розглянувши закономірності еволюції життя, Е. Леруа дійшов висновку, що в людині біологічна еволюція себе вичерпала. Подальша еволюція живого на нашій планеті, за його твердженням, здійснюватиметься тільки духовними засобами: індукція, суспільство, мова, розум і т. д. І це буде ноосфера, яка заступить біосферу. Під ноосферою Е. Леруа розумів закономірний етап розвитку органічного світу, коли домінуюча роль в еволюції належатиме духовній творчості людини та продуктові ЇЇ праці. І в цьому його погляди відрізнялись від уявлень Тейяра де Шардена, який розглядав ноосферу як такий собі мислячий пласт, що поступово розгортається зі світу тварин і рослин і приходить на останньому етапі психогенезу до усвідомлення тотожності всього сущого з точкою «Омега» — божеством .
За В. І. Вернадським, поняття «ноосфера — останній з багатьох етапів еволюції біосфери в геологічний історії — етап наших днів. Перебіг цього процесу тільки починає нам прояснюватися з вивчення її геологічного минулого у деяких своїх аспектах... Ноосфера — нове геологічне явище на нашій планеті. У ній людина вперше стає величезною геологічною силою. Вона може й повинна перебудувати своєю працею і думкою царину свого життя, перебудувати докорінно порівняно з тим, що було раніше».
Могутньою геологічною силою людину вперше назвав А. П. Павлов (1854 — 1929), який казав про антропогенну еру в розвитку Землі. В. І. Вернадський підкреслював, що людство фізично являє собою надзвичайно малу масу речовини планети, але міць його пов'язана не з його матерією, а з роботою його свідомості, з його розумом і спрямованою цим розумом працею. Ноосферу Вернадський розумів як природне тіло, компонентами якого будуть літосфера, гідросфера, атмосфера та органічний світ, перетворений розумною діяльністю людини.
Вчений був переконаний у закономірному характері виникнення ноосфери: «Вибух наукової думки у XX ст. підготовлений усім минулим біосфери і має глибокі корені в її будові. Він не може зупинитися і піти назад. Він може хіба що сповільнитись у своєму темпі... Біосфера неминуче перейде так чи інакше, рано чи пізно, в ноосферу»