數據採集與編輯
數據採集與編輯是GIS的基本功能，主要用於獲取數據，保證地理信息系統資料庫中的數據在內容與空間上的完整性、數值邏輯一致性與正確性等。
可用於地理信息系統數據採集的方法與技術很多。大多數GIS的地理數據來源於紙質地圖，常用的方法是數位化掃描，如手扶跟蹤數位化儀。隨著技術的發展，信息共享與自動化數據輸入成為地理信息系統研究的重要內容。自動化掃描輸入與遙感數據集成最為人們所關注。隨著掃描技術的套用與改進，實現掃描數據的自動化編輯與處理仍是地理信息系統數據獲取研究的主要技術關鍵。互動式地圖識別是自動化掃描輸入方法的一種較為現實的途徑。
遙感數據集成是另外一種新型數據採集方式。遙感數據已經成為GIS的重要數據來源，與地圖數據不同的是，遙感數據輸入到GIS較為容易，但如果通過對遙感圖像的解釋來採集和編譯地理信息則是一件較為困難的事情。因此，GIS中開始大量融入圖像處理技術，許多成熟的GIS產品（如MAPGIS）中都具有功能齊全的圖像處理子系統。
地理數據採集的另一項主要技術進展是GPS技術在測繪中的套用。GPS可以準確、快速地確定人或物在地球表面的位置，因此，可以利用GPS輔助原始地理信息的採集。
數據處理與存儲管理
對數據的存儲管理是建立地理信息系統資料庫的關鍵步驟，涉及對空間數據和屬性數據的組織。
數據處理
初步的數據處理主要包括數據格式化、轉換和綜合。數據的格式化是指不同數據結構的數據間變換，是一項耗時、易錯、需要大量計算量的工作；數據轉換包括數據格式轉換、數據比例尺的變換等，數據比例尺的變換涉及數據比例尺縮放、平移、旋轉等方面，其中最為重要的是投影變換；製圖綜合包括數據平滑和特徵集結等。
數據存儲管理
GIS中的數據分為柵格數據（X、Y）和矢量數據（經、緯度）兩大類，如何在計算機中有效存儲和管理這兩類數據是GIS的基本問題。柵格模型、矢量模型或柵格/矢量混合模型是常用的空間數據組織方法。空間數據結構的選擇在一定程度上決定了系統所能執行的數據與分析功能。在地理數據組織與管理中，最為關鍵的是如何將空間數據與屬性數據融合為一體。
大多數GIS中採用了分層技術，即根據地圖的某些特徵，把它分成若干層（如道路層、水系層、公共設施層等），整張地圖是所有層疊加的結果。在與用戶的互動過程中只處理涉及的層，而不是整幅地圖，因而能夠對用戶的要求做出快速反應。
GIS的主要功能之一是管理大量的專業地圖，按專題分類將各部門所需的地圖合理地組織為空間資料庫。幾十乃至上百張圖按地圖格線拼裝為一個圖層，而每張圖層上包括的對象在取捨上有嚴格的分類標準。按專業含義由粗到細劃分為層次狀專題分類，每一圖層上的空間對象歸屬於某一專題類，因此常稱為專題圖層。這些圖層與各行業的更為專業的圖層相疊置（透明疊放在一起），並進行空間關係分析，可以得出有用的決策信息。
資料庫技術是數據存儲和管理的支撐技術。在GIS中，資料庫具有數據量大、空間數據和屬性數據聯繫緊密，以及空間數據之間具有顯著的拓撲結構等特點，因此GIS資料庫管理功能，除了與屬性數據有關的DBMS功能之外，還需要具備對空間數據的管理。對空間數據的管理主要包括：空間資料庫的定義、數據訪問和提取、空間檢索、數據更新和維護等。
圖形顯示
GIS來源於地圖，也離不開地圖。GIS的一個基本功能就是能根據用戶的要求，通過對數據的提取和分析，以圖形的方式表示結果。當GIS數據被描繪在地圖上時，信息就變得容易理解和解釋。GIS不只是為了有效地存儲、管理、查詢和操作地理數據，更重要的是以可視化的形式將數據或經過深加工的地理信息呈現在用戶面前，方便地通過圖形認識地理空間實體和現象及其相互關係。
地理信息系統為用戶提供了許多用於地理數據表現的工具，其形式既可以是計算機螢幕顯示，也可以是諸如報告、表格、地圖等硬複製圖件，尤其要強調的是地理信息系統的地圖輸出功能。一個好的地理信息系統應能提供一種良好的、互動式的製圖環境，以供地理信息系統的使用者能夠設計和製作出高質量的地圖。
因為地理比例尺對於地理研究的性質具有決定意義，所以需要根據不同的詳略程度，允許地圖存在多級比例尺數據源。用戶對地理環境既需要有巨觀上的認識，同時也有觀察局部細節微觀上的要求。因此，為了能夠全面、充分地反映系統所關心區域的空間地理信息，有必要採用多種比例尺共存的方式，以滿足GIS的多層次需求。某一地區在某一比例尺條件下的地理資料，不僅代表了在該種比例尺條件下對於該區域地理空間結構的抽象和概括，而且也代表了在該種比例尺條件下對於該區域地理功能的抽象和概括。
多比例尺GIS中空間數據的最大特點是對同一地理實體的數據表達不同。
由於在地理信息系統中的地圖數據採取了分層組織管理方法，因而在顯示時也可以採取該方法，即同比例尺條件下可以採用多圖層方式來表達地理實體。
除了常見的二維平面地圖之外，地理信息三維顯示也成為地理信息一個重要的表現方式。利用三維顯示技術，可以更為直觀形象地表現地理環境信息，更容易讓用戶接受和理解。
空間查詢與分析
對地理空間的查詢與分析功能，是GIS得以廣泛套用的重要原因之一。通過GIS提供的空間數據查詢與分析功能，用戶可以從已知的地理數據中得出隱含的重要結論，這對於許多套用領域（例如商業選址、搶險救災等）是至關重要的。
空間查詢
空間查詢是地理信息系統以及許多其他自動化地理數據處理系統應具備的最基本的分析功能，即可把滿足一定條件的空間對象查出，並將其按空間位置繪出，同時列出它們的相關屬性等。空間查詢是支持綜合圖形與文字的多種查詢的主要方法，它支持由圖查圖、由圖查文和由文查圖，並給出新圖和有關數據。
GIS通常使用空間數據引擎存儲和查詢空間資料庫。空間數據引擎在用戶和異構空間資料庫的數據之間提供一個開放的接口，它是一種處於應用程式和數據管理系統之間的中間件技術，空間數據引擎是開放且基於標準的，這些規範和標準包括OGC的Sample Feature SQL Specification、IOS/IEC的SQL3以及SQL多媒體與應用程式包（SQL/MM）等。市場上主要的空間數據引擎產品都是與上述規範高度兼容的。
空間分析
空間模型分析是在地理信息系統支持下，分析和解決現實世界中與空間相關的問題，它是地理信息系統套用深化的重要標誌。空間分析是地理信息系統的核心功能，也是地理信息系統與其他計算機系統的根本區別，它以空間數據和屬性數據為基礎，回答真實地理客觀世界的有關問題。地理信息系統的空間分析可分為：拓撲分析、方位分析、度量分析、混合分析、柵格分析和地形分析等。
地圖製作
GIS是在計算機輔助製圖（CAD）基礎上發展起來的一門學科，是電子地圖（矢量化地圖）製作的重要工具。因此，對空間數據進行各種渲染，高效、高性能、高度自動化處理是GIS製作地圖的重要特點。採用GIS可以將數據矢量化，從而使與空間有關的各種數據（信息）疊加到電子地圖上。
地圖製作是將用戶查詢的結果或是數據分析的結果以文本、圖形、多媒體、虛擬現實等形式輸出，是GIS問題求解過程的最後一道工序。輸出形式通常有兩種：在計算機螢幕上顯示或通過繪圖儀輸出。在一些對輸出精度要求較高的套用領域，高質量的地圖輸出功能對GIS是必不可少的。這方面的技術主要包括：數據校正、編輯、圖形修飾、誤差消除、坐標變換和出版印刷等。
地理信息系統功能遍歷數據採集——分析——決策套用全部過程，並能回答和解決以下五類問題：
1、位置：即在某個地方有什麼的問題。
2、條件：符合某些條件的實體在哪裡。
3、趨勢：某個地方發生某個事件，及其隨時間的變化過程。
4、模式：某個地方存在的空間實體的分布模式。
5、模擬：某個地方如果具備某種條件會發生什麼。
