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合成生物学是一门以工程学思想为指导、多学科结合的新兴领域，以“人工设计与编写基因组”为核心，可针对特定需求从工程学角度设计构建元器件或模块。通过一系列重新设计与技术改造生物体或细胞以使其具有新的能力，在此过程中设计与构建一系列新的标准化的生物元件、组件与系统，以实现理想的生物制造能力。合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。
合成生物学区别于传统生命科学的核心特征在于其“工程学本质”，主要体现在其工程化的两大方向：
1）Top-down：应用基因工程和代谢工程等技术，将全新功能引入活细胞等生命体；也包括在此基础上设计组装的生物非生物混合系统——“自上而下”地“改造生命”； 2）Bottom-up：体外合成全新生命系统，如人工细胞等——“自下而上”地“创造生命”；
广义上讲，合成生物学还包括了任何对生命有机体关键要素的创新应用，如酶催化合成（催化单元）、无细胞合成（转录和翻译系统）、DNA存储（遗传密码）等。
合成生物学的发展大体经历了4个阶段：
1. 创建时期（2000-2003年）：产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用；
2. 扩张和发展期（2004-2007年）：工程技术进步较缓慢，领域有扩大趋势；
3. 快速创新和应用转化期（2008-2013年）：这一阶段涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展；
4. 发展新阶段（2014年后）：工程化平台的建设和生物大数据的开源应用相结合，全面推动生物技术创新以及相关应用的开发和商业化，代表技术包括人工密码子及非天然氨基酸系统的开发、计算/AI蛋白结构设计及预测、DNA存储等。
以合成生物生产流程的特点，合成生物学被认为是绿色、环保、高效、可循环可再生的生产方式，相比化学合成工艺、天然提取工艺，有着明显的优势，被认为是最有潜力替代化学合成、天然提取等成熟工艺的新兴技术手段，被政府、资本届和产业界赋予了厚望。
天然产物是从自然界存在的动物、植物、微生物中分离提取的有机化合物，被认为是大自然赐予人类的瑰宝，也是开发药物活性分子的重要源泉，但天然产物在生物体内含量非常低，通过提取分离进行大量制备存在很大难度，从而严重制约其开发和利用。而化学合成常受制于昂贵的化学试剂、苛刻的反应条件、难控的立体选择性、冗长的合成路线以及较低的总合成效率等，同时伴有高污染，严重制约其实际规模化生产和广泛应用。
相较于传统路径，合成生物技术路径受原材料和反应条件制约更小，全基因合成途径与酶学机制，为构建细胞工厂从头异源合成天然产物提供了便利条件，同时也为合成生物学变革天然产物全合成提供契机。
以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过渡，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品。这将为突破自然生物体合成功能与范围的局限，打通传统化学品的生物合成通道，为发展先进生物制造技术、促进可持续经济体系形成与发展，提供重大机遇。
原则上全球经济物质投入中的60%可由生物产生。根据麦肯锡分析，在2030-2040年，合成生物学在各领域的应用预计将带来每年2-4万亿美元的经济影响，并持续扩展其应用范围，在减少疾病负担、提高质量、降低成本、环境效益等方面带来巨大的效益。分析表明，未来10-20年大多数价值出自4个领域，其中，在人类健康与性能和农业、水产养殖和食品两个重点领域，全球范围内每年直接产生的潜在影响约1.3-2.5万亿美元，占到潜在直接影响总额的70%左右；另外，合成生物学还可应用在消费品和服务、材料、化学品和能源、甚至生物机器和生物计算等领域，未来应用前景非常广阔。
