Los sistemas agroecológicos son muy diversos. Desde una perspectiva biológica, los sistemas agroecológicos optimizan la diversidad de especies y recursos genéticos de diferentes maneras. Por ejemplo, los sistemas agroforestales organizan cultivos, arbustos, ganado y árboles de diferentes alturas y formas en distintos niveles o estratos, aumentando la diversidad vertical. Los cultivos intercalados combinan especies complementarias para aumentar la diversidad espacial. Las rotaciones de cultivos, que a menudo incluyen leguminosas, aumentan la diversidad temporal. Los sistemas de cultivo-ganadería se basan en la diversidad de razas locales adaptadas a entornos específicos. En el mundo acuático, la piscicultura tradicional de policultivo, la acuicultura integrada multitrófica o los sistemas agro acuícolas de rotación siguen los mismos principios para optimizar la diversidad.

Aumentar la biodiversidad contribuye a una serie de beneficios productivos, socioeconómicos, nutricionales y medioambientales. Al planificar y gestionar la diversidad, los enfoques agroecológicos mejoran las funciones de los ecosistemas, como la polinización y el ciclo de los nutrientes, de los que depende la producción agrícola. La diversificación puede aumentar la productividad y la eficiencia en el uso de los recursos optimizando la biomasa y la captación de agua.

La diversificación agroecológica también refuerza la resiliencia ecológica y socioeconómica, incluso mediante la creación de nuevas oportunidades de mercado. Por ejemplo, la diversidad de cultivos y animales reduce el riesgo de fracaso ante el cambio climático. El pastoreo mixto de diferentes especies de rumiantes reduce los riesgos sanitarios derivados del parasitismo, mientras que las diversas especies o razas locales tienen mayores capacidades para sobrevivir, producir y mantener los niveles de reproducción en entornos difíciles. A su vez, disponer de una variedad de fuentes de ingresos procedentes de mercados diferenciados y nuevos, incluidos los productos diversos, la transformación local de alimentos y el agroturismo, ayuda a estabilizar los ingresos familiares.

Consumir una gama diversa de cereales, legumbres, frutas, verduras y productos de origen animal contribuye a mejorar los resultados nutricionales. Además, la diversidad genética de las distintas variedades, razas y especies es importante para aportar macronutrientes, micronutrientes y otros compuestos bioactivos a la dieta humana. Por ejemplo, en Micronesia, la reintroducción de una variedad tradicional infrautilizada de plátano de pulpa naranja con 50 veces más betacaroteno que el plátano comercial de pulpa blanca, ampliamente disponible, resultó decisiva para mejorar la salud y la nutrición.

A nivel mundial, tres cultivos de cereales proporcionan cerca del 50% de todas las calorías consumidas, mientras que la diversidad genética de los cultivos, el ganado, los animales acuáticos y los árboles sigue perdiéndose rápidamente. La agroecología puede ayudar a invertir estas tendencias gestionando y conservando la agrobiodiversidad, y respondiendo a la creciente demanda de una diversidad de productos respetuosos con el medio ambiente. Un ejemplo de ello es el arroz "respetuoso con los peces" producido a partir de ecosistemas arroceros de regadío, de secano y de aguas profundas, que valora la diversidad de las especies acuáticas y su importancia para el sustento rural.