Les systèmes agroécologiques sont très diversifiés. D'un point de vue biologique, les systèmes agroécologiques optimisent la diversité des espèces et des ressources génétiques de différentes manières. Par exemple, les systèmes agroforestiers organisent les cultures, les arbustes, le bétail et les arbres de différentes hauteurs et formes à différents niveaux ou strates, augmentant ainsi la diversité verticale. Les cultures intercalaires associent des espèces complémentaires pour accroître la diversité spatiale. Les rotations de cultures, comprenant souvent des légumineuses, augmentent la diversité temporelle. Les systèmes de culture et d'élevage s'appuient sur la diversité des races locales adaptées à des environnements spécifiques. Dans le monde aquatique, la polyculture traditionnelle de poissons, l'aquaculture multi trophique intégrée (AMTI) ou les systèmes de rotation culture-poisson suivent les mêmes principes pour optimiser la diversité.

L'augmentation de la biodiversité contribue à toute une série d'avantages sur le plan de la production, au niveau socio-économique, de la nutrition et de l'environnement. En planifiant et en gérant la diversité, les approches agroécologiques améliorent les fonctions des écosystèmes, notamment la pollinisation et le cycle des nutriments, dont dépend la production agricole. La diversification peut accroître la productivité et l'efficacité de l'utilisation des ressources en optimisant la récolte de la biomasse et de l'eau.

La diversification agroécologique renforce également la résilience écologique et socio-économique, notamment en créant de nouveaux débouchés. Par exemple, la diversité des cultures et des animaux réduit le risque d'échec face au changement climatique. Le pâturage mixte par différentes espèces de ruminants réduit les risques sanitaires liés au parasitisme, tandis que diverses espèces ou races locales ont une plus grande capacité à survivre, à produire et à maintenir des niveaux de reproduction dans des environnements difficiles. Par ailleurs, le fait de disposer d'une variété de sources de revenus provenant de marchés différenciés et nouveaux, y compris de produits divers, de la transformation locale des aliments et de l'agritourisme, contribue à stabiliser les revenus des ménages.

La consommation d'une gamme variée de céréales, de légumineuses, de fruits, de légumes et de produits d'origine animale contribue à améliorer les résultats nutritionnels. En outre, la diversité génétique des différentes variétés, races et espèces est importante pour apporter des macronutriments, des micronutriments et d'autres composés bioactifs à l'alimentation humaine. Par exemple, en Micronésie, la réintroduction d'une variété traditionnelle sous-utilisée de banane à chair orange contenant 50 fois plus de bêta-carotène que la banane commerciale à chair blanche largement disponible s'est avérée déterminante pour l'amélioration de la santé et de la nutrition.

Au niveau mondial, trois cultures céréalières fournissent près de 50 % de toutes les calories consommées, tandis que la diversité génétique des cultures, du bétail, des animaux aquatiques et des arbres continue de disparaître rapidement. L'agroécologie peut contribuer à inverser ces tendances en gérant et en conservant l'agrobiodiversité et en répondant à la demande croissante d'une diversité de produits respectueux de l'environnement. Un exemple en est le riz "respectueux des poissons", produit à partir d'écosystèmes rizicoles irrigués, pluviaux et d'eau profonde, qui valorise la diversité des espèces aquatiques et leur importance pour les moyens de subsistance des populations rurales.