ГІС зберігає інформацію про реальний світ у вигляді набору тематичних шарів, які об'єднані на основі географічного положення. Цей простий та гнучкий підхід довів свою цінність при вирішенні різноманітних реальних завдань: для відстеження пересування транспортних засобів і матеріалів, детального відображення реальної обстановки і планованих заходів до моделювання надр та глобальної циркуляції атмосфери.
В основі будь-якої ГІС лежить інформація щодо будь-якої ділянки земної поверхні: континенту, країни, місті, вулиці. База даних створюється у вигляді набору шарів інформації. Основний шар містить географічно прив'язану карту місцевості (топооснова). На нього накладаються інші шари, що несуть інформацію про об'єкти, які знаходяться на даній території.
В процесі створення шарів між ними встановлюються необхідні зв'язки, що дозволяє виконувати просторові операції з об'єктами за допомогою моделювання та інтелектуальної обробки даних.
Будь-які дані містять відомості про їх відношення до з просторових обїектів, будь то прив'язка до географічних або інших координат, або посилання на адресу, поштовий індекс, виборчий округ або округ перепису населення, ідентифікатор земельної або лісової ділянки, назви дороги і т.п.
ГІС може працювати з двома істотно відрізняющимися типами графічних даних - векторними і растровими. У векторній моделі інформація про точки, лінії та полігони кодується і зберігається у вигляді набору координат X, Y. Місцезнаходження точки (точкового об'єкта), наприклад свердловини, описується парою координат (X, Y). Лінійні об'єкти, такі як дороги, річки або трубопроводи, зберігаються як набори координат X, Y. Полігональні об'єкти, типу річкових водозборів, земельних ділянок або областей обслуговування, зберігаються у вигляді замкнутого набору координат. Векторна модель особливо зручна для опису дискретних об'єктів і менше підходить для опису безупинно змінюючихся властивостей. Растрове зображення являє собою набір значень для окремих елементарних складових (осередків), воно подібно відсканованої карті або зображенні.Растрова модель оптимальна для роботи з безперервними властивостями.
Надається інформація, як правило графічно, у векторному вигляді, що дозволяє зменшити об'єм інформації і спростити операції по візуалізації. З графічними даними пов'язана текстова, таблична, розрахункова інформація, координатна прив'язка до карти місцевості, відеозображення, аудіокоментарі, БД з описом об'єктів і їх характеристик.

Відмінною рисою таких систем є наявність у їхньому складі специфічних методів аналізу просторових даних, що в сукупності із засобами введення, збереження, маніпулювання і представлення просторово-координованої інформації і складають основу технології географічних інформаційних систем, чи ГІС-технології. Саме наявність сукупності здатних генерувати нове знання специфічних методів аналізу з використанням як просторових, так і непросторових атрибутів і визначає головну відмінність та перевагу ГІС.