Ekologia teoretyczna (ang. theoretical ecology) – interdyscyplinarny dział nauki dotyczącej złożonego systemu, jakim jest biosfera (zob. cechy systemów złożonych). System globalny oraz wchodzące w jego skład mniejsze ekosystemy o różnych strukturach są opisywane jako układy dynamiczne z wykorzystaniem metod modelowania matematycznego. Przedstawiciele tak rozumianego działu ekologii łączą różne dziedziny nauki (zob. klasyfikacja nauk – nauki stykowe i integracyjne), takie jak matematyka stosowana, informatyka, fizyka statystyczna, biologia i biochemia, populacjologia i biocenologia, genetyka, epidemiologia, ewolucjonizm w biologii, naukach społecznych i polityce, teoretyczne podstawy ochrony środowiska i inne.
Przedstawiciele ekologii teoretycznej Matematyczne modele stosowali w biologii już Vito Volterra (1860–1940) i Alfred J. Lotka (1880–1949), twórcy pierwszego modelu układu dynamicznego drapieżnik-ofiara nazwanego równaniem Lotki-Volterry (zob. dynamika liczebności populacji, oscylacje i fluktuacje liczebności populacji). Do twórców ekologii teoretycznej są zaliczani również: G. Evelyn Hutchinson (1903–1991) – pionier ekologii ekosystemów (zob.