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2000年，斯坦福大学的Eric Kool等学者在美国化学学会年会上提出了“合成生物学”这一术语，用来描述利用有机化学和生物化学在生物系统中发挥作用的非天然分子合成。英国工程和物理科学研究委员会（Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）将合成生物学定义为“针对应用目的，对以生物为基础的元件、器件和系统以及对现有天然生物系统的重新设计和工程化”。
目前，对合成生物学的定义已经有许多类似的表述，大多是指利用基因技术和工程学概念来重新设计和合成新的生物体系或改造已有的生物体系。具体而言，合成生物学是指通过系统化和工程化手段，设计和构造自然界中不存在的元件（part）、装置（device）和系统（system），或者对现有元件、装置和系统进行重新设计以赋予其新的生物学功能，即有目的地设计、改造乃至重新合成“生命体”。我们也可以将合成生物学的本质概括为“造物致知，造物致用”：“造物致知”，即通过合成生物学研究来增进对自然和人工生命体的基础认知；“造物致用”，即通过合成生物学研究来创造社会经济价值。
合成生物学区别于其他传统生命科学的关键在于其“工程学本质”，主要体现其侧重于“自下而上”的正向工程学策略和“自上而下”目标导向的逆向工程学策略。在“自下而上”的策略中，对生物元件进行标准化表征，构建通用模块，利用抽提、解耦和标准化等方式降低生物系统复杂性，在经过简化的“细胞”底盘上构建人工生物系统并实现其运行的定量可控。从元件标准化到模块构建再到系统集成，打破了“自然”和“非自然”的界限，将“格物致知”研究策略推进到了“造物致知”的新领域。“自上而下”目标导向的逆向工程学策略则主要应用于人工生命体的构建。例如，在最小基因组的研究中，通过去除非必需基因来了解基因组架构并改善其特性，进而达到可模拟和预测的目的。
合成生物学的工程化研究融合了分子生物学、系统生物学和定量生物学的本质，提供了一条“从创造到理解”的研究思路和方法，即利用工程学的模块化概念和系统设计理论，在不同层次上对生物元件、模块到复杂途径网络的结构和功能进行解析、设计和模拟，这有助于更深入、更完整地理解生命的本质，进而改变了“从整体到局部”的经典生命科学研究模式。