המונח מחזור ביו- כימיקלי מקורו בתנועה מחזורית של היסודות היוצרים אורגניזמים ביולוגיים (ביו) והסביבה הגיאולוגית (גיאו) ושינוי כימי מתערב.
המעגל הביו-כימי מורכב מחיבור בין אלמנטים חיים לא-חיים. כל אורגניזם חי מתפרק לאחר מותו ובתהליך כימי, היסודות הנובעים מפירוק זה מופקדים בביוספרה וממוחזרים לשימוש אחר כך על ידי אורגניזם חי אחר. המחזורים הביו-כימיים הכי חשובים הם מים, חמצן, חנקן, פחמן, זרחן וגופרית.
מחזורים ביו-כימיים יכולים להיות מחזורי גז, בהם אלמנטים מופצים באטמוספירה ובמים ואז הם יעשו שימוש חוזר על ידי אורגניזמים חיים. הם יכולים גם להיות מחזורי משקע, כאשר אלמנטים מופקדים על קרום כדור הארץ או על קרקעית הים ונשארים שם זמן רב כדי להיות ממוחזרים אחר כך על ידי אורגניזמים. או שהם יכולים להיות מחזורים מעורבים שבהם משלבים תהליכים של מחזורי גז ומחזורי משקעים.
באופן זה, החומר מסתובב ומחוצה לו במערכות אקולוגיות המאפשרות להיווצר חיים. ממצב יסודי, החומר יוצר אלמנטים אנאורגניים המשמשים מחדש אורגניזמים חיים כדי לחזור סוף סוף למצב היסודי ולהתחיל את המחזור שוב. מכאן החשיבות שלא לשנות את התהליך הטבעי של המחזור הביו-כימי.
כדור הארץ הוא מערכת סגורה בה החומר לא נכנס או יוצא. חומרים המשמשים אורגניזמים אינם "אבודים", אך הם יכולים להגיע למקומות בהם הם אינם נגישים לאורגניזמים לתקופה ארוכה. עם זאת, החומר משמש כמעט תמיד מחדש ומסתובב לעתים קרובות מספר פעמים, הן בתוך מערכות אקולוגיות והן מחוצה להן.
ישנם שלושה סוגים של מחזורים ביו-כימיים המחוברים ביניהם.
במחזורי גז, חומרים מזינים מסתובבים בעיקר בין האטמוספירה (מים) לבין אורגניזמים חיים. ברוב המחזורים הללו, פריטים ממוחזרים במהירות, לרוב תוך שעות או ימים. מחזורי הגז העיקריים הם אלה של פחמן, חמצן וחנקן.
במחזורי התזונה תזונתיים מסתובבים בעיקר בקרום כדור הארץ (אדמה, סלעים ומשקעים), בהידרוספירה ובאורגניזמים חיים. היסודות במחזורים אלה בדרך כלל ממוחזרים לאט הרבה יותר מאשר במחזורים אטמוספריים, מכיוון שהיסודות נשמרים בסלעי משקע זמן רב, לרוב אלפי עד מיליוני שנים, ואין להם שלב גז. זרחן וגופרית הם שניים מבין 36 היסודות הממוחזרים בדרך זו.
במחזור ההידרולוגי; מים מסתובבים בין האוקיאנוס, האוויר, היבשה ואורגניזמים חיים, מחזור זה מפיץ גם חום סולארי על פני כדור הארץ.
