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在行星宜居环境研究中，除了考虑空间尺度外，还要在时间尺度上以演化的视角进行探讨。生命起源的环境与其繁盛的环境可能截然不同，当前宜居的环境过去不一定适宜生命的发生，而现在不宜居的环境过去可能可以支持生命起源和演化。地球在生命出现前就已经具有宜居环境，早期地球的环境与现在的环境差别甚大，从形成初期的高温和高辐射环境到液态水和早期海洋的出现，从缺氧的表层环境到氧气的出现和臭氧层的形成，从被冰川覆盖的“雪球地球”到全球升温变暖的极热事件。
地球在地质历史时期经历过多种不同的环境，这表明同一个天体在不同演化阶段可以具有截然不同的宜居环境。而生命也会不断地适应环境并在一定程度上改造宜居环境。从空间和时间尺度上共同探究行星宜居环境是该领域的发展趋势。
对地外天体宜居环境的判别主要依据对地球类似极端环境的类比研究，目前人们已经发现了至少 30 个不同的类比研究地点或环境，包括我国柴达木盆地类火星环境和地貌。对这些极端环境中微生物的研究改变了人们对生命生存极限的认识。目前已在 40 ~ 70 km高度的临近空间、10 000 m以下的深海、120 ℃的高温环境、零下 17 ℃的低温环境、常年干燥的沙漠、南极永久冻土带等极端环境中都发现了微生物的存在，这拓宽了宜居环境的定义和范畴。这些极端环境可以类比太阳系内的一些天体，如临近空间、沙漠、南极永久冻土带可以类比现在的火星环境，深海和冰下湖可以类比土卫二和木卫二内部的海洋环境等。对极端环境及微生物的研究可以帮助我们更加准确地评判地外天体是否具有宜居环境。
火星是除地球以外研究最为深入的行星。早期火星具有大量液态水甚至海洋，具有核、幔、壳分层和全球磁场，可能发生过板块运动，气候湿润，这些证据表明火星可能一度具有类似于早期地球的宜居环境。现代火星地表环境恶劣，但其地下可能具有支持类似于地球微生物等生命形式生存的条件，当前对火星宜居环境和生命的探索已逐渐从火星表面探测，到更加关注火星表面以下的环境研究。
研究表明，太阳系内的一些冰卫星，如木卫二、木卫三、木卫四、土卫二、土卫四和海卫一等，在其表面冰层以下可能存在液态海洋，具有一定的宜居性。在这些冰卫星中，木卫二和土卫二尤其引人关注。木卫二的海洋与其岩石层直接接触，推测可能存在类似地球的深海热液喷口，为生命的起源和演化提供了必要的能量和营养元素。土卫二表面向外溅射出含水冰颗粒和有机物的羽状物，暗示其内部可能存在液态水和一些生命活动或类似于地球的前生命化学反应过程等。土卫六大气中存在着较复杂的有机合成反应，其表面存在富含烷烃的海洋，被认为是研究太阳系生命起源和早期生命演化的天然实验室。对这些太阳系冰卫星潜在宜居环境的研究使人们认识到宇宙中宜居环境具有多样性。
寻找可能具有宜居环境的系外行星也是当前天体生物学研究的热点。截至2022,已确认的系外行星总数刚刚超过5 000 颗。尽管人们已经认识到系外行星无论从其本身特点还是其所处的行星系统都可能与地球及太阳系的其他行星有显著的差异，它们具有的潜在宜居环境也千差万别，但是目前对宜居系外行星的基本定义依然是其星球表面的温度、压力等物理环境可以维持液态水存在的“超级地球”。该标准可以帮助人们从越来越多的被发现的系外行星中优先选择最有可能具有宜居环境的天体开展深入研究。
1992 年，人们发现了脉冲星周围的一颗系外行星。1995 年，人们发现了太阳类恒星周围的一颗系外行星，这些发现揭开了系外行星研究的新篇章。到 2016 年系外行星的数目超过了 3 000 颗，还有数千颗候选行星。尽管其中绝大多数是非宜居行星，距地球 50 光年之内有数颗确认存在的疑似宜居系外行星（表 2.3）。接下来对这些行星的宜居性分析可能颠覆我们对地球宜居性的认识。从这个意义上讲，回答“地球人类在宇宙中是否独一无二？”这个问题在过去的 20 年间已经向前迈出了巨大的一步。地球殊异假说（Rare Earth hypothesis）认为，地球上复杂（多细胞）生命的形成需要影响生命进化的天文和地质条件及偶然事件的不同寻常的结合。这些条件和事件包括了星系和恒星周围的宜居带、行星系统中存在距离恒星较远的类木行星，宜居行星要有合适的质量、磁场、板块运动、岩石圈、大气圈、海洋，并且拥有一颗巨大的天然卫星（如月球），宜居行星的演化过程中要发生小行星撞击、大规模火山和岩浆活动等。国际科学界对地球殊异假说有比较大的争议。近年来，系外行星研究在与此相关的领域取得了一些新进展，例如，我们现在知道类似地球质量的岩石行星是比较普遍的现象，对宜居行星的存在概率的认识也比2000 年深刻得多。尽管我们对行星演化的理解仍然是很片面的，但更重要的是，我们在不远的将来有可能利用对系外行星的实际观测检验这一假说。
表 2.3 50 光年以内的疑似宜居系外行星和部分太阳系天体
续表
注：按照哈佛分类法为O,B,A,F,G,K,M,R,N,S等类型，其中G型星表面温度为 4 900 ~ 6 000 K,K型星表面温度为 3 500 ~ 4 900 K,M型星表面温度小于 3 500 K。
例如，月球表面温度变化很大，阿波罗 15 号着陆点哈德利月溪处的温度是 102 ~384 K,火星表面的平均温度约 210 K,目前探明的地外星体还未发现与地球相似的温度环境，地外星球宜居需要满足人体正常的生命活动需求。因此，需要将极端的温度环境加以改造，大致控制在 15 ~ 30 ℃ ，创造一个温度适宜的生活环境。
高强度的太阳辐射有害人体健康。月球受到银河宇宙线（ Galactic Cosmic Rays, GCR）和太阳粒子事件（Solar Particle Event, SPE）的作用。由于缺乏大气和磁场较弱的原因，月球表面因宇宙辐射产生的剂量约 0.3 Sv / year,但在 1 m深的表土中，宇宙射线粒子的辐射剂量当量下降到 2 mSv / year左右，与地球表面相当。火星上的辐射来源有 3 个：银河宇宙射线、太阳粒子事件和次级辐射。其中，次级辐射是由GCR和SPE与火星大气和地表的相互作用引起的。火星稀薄的大气能够吸收一部分辐射，但其表面辐射水平仍远高于地球上的辐射水平，因此，表面辐射屏蔽对人类火星任务的成功至关重要。火星奥德赛号航天器上的火星辐射环境实验（MARI）记录了大量在轨辐射测量结果，模拟数据表明 2 ~ 3 m深的洞穴就可以满足人们的正常生存。因此，要实现地外星体宜居，需要采取有效的措施避免人体或植物接受高强度的太阳辐射。
水是生命之源，在地外星体严重缺水的条件下，需要创新技术运用原位资源进行水的提取、制备及高效的水循环管理。近年来，通过许多方法在月球上明确地探测到了水（无论是OH或H 2 O）或水冰。美国NASA局月球陨石坑观测与传感卫星（LCROSS）撞击地点的风化层中水冰的质量分数估计为 5.6%±2.9%。同时还观测到许多其他挥发性化合物的光谱波段，包括轻烃、含硫物质和二氧化碳。 Li等人通过Chandrayaan-1 的月球矿物绘图仪（M3）发现永久阴影区水冰的含量可能达到了 30%的质量分数。海盗号测得在赤道地区（±30°）H 2 O的质量分数为1%~ 3%，火星奥德赛数据表明，地下 1 m处的H 2 O质量分数高达 8%~ 10%，在中纬度（40° ~ 55°）的一些地区几米范围内可能存在冰层，在高纬度（55° ~ 70°）近地表地下冰层可能广泛存在，极地（70° ~ 90°）的水冰含量超过 50%。
无论是月球还是火星两极处的水资源都相对丰富，尤其是火星。目前，月球上存在水的证据都指向两极的永久阴影区，但这些地区面临着无法使用太阳能和熔岩管道温度较低的问题。要实现地外星体宜居，需要在水资源获取及管理方面深入地开展研究。