种群中一些简单的、具有典型性的动态变化可以用数学模型衡量，常见的有两种
指数增长(J型增长)
指数增长模型的提出者是著名人口学家托马斯·马尔萨斯（T.Maithus），他认为种群数量的增长不是简单的相加关系，而是成倍地增长；后来，生物学家查尔斯·罗伯特·达尔文（C.R.Darwin）通过对大象种群的研究再次确认了这一增长模式 。这种客观存在的增长模式表明，所有种群都有爆炸式增长的能力 。
指数增长的函数式是指数方程，变量为时间t，常数为种群密度增长的倍数。这一增长模式没有上限，完全的指数增长只存在于没有天敌、食物与空间绝对充足（以至于没有种内斗争）的理想情况，实际生活中，培养皿中刚接种的细菌、入侵生物（例如凤眼莲）、蓝藻爆发时，种群会在相当一段时间内进行指数增长，随后则趋于稳定或大量死亡。
逻辑斯蒂增长(S型增长)
主条目：逻辑斯蒂增长模型
指数增长是一种过于理想的情况，许多生物在指数增长一段时间后，数量会维持稳定，这可以用另一个数学模型进行描述。
实例：俄罗斯生态学家G.W.高斯（G.W.Gaose）曾进行试验，在0.5ml培养液中放入5个大草履虫，每24h统计一次该种群的种群密度，结果见右图，由图可知，大草履虫在进行了快速的增长后，稳定在75只（K值）这个数量上。
逻辑斯蒂增长模型能更好地指导人为的种群调节。
环境容纳量（carrying capacity）
进行逻辑斯蒂增长的种群在数量上，存在一个上限，这个上限就被称为环境容纳量，简记“K值”，代表在环境在不受到破坏的情况下对该种群最大承载量，或该种群在该环境的最大数量。一个种群在种群密度为K/2时，增长率最快，这可以指导经济生物的采集，让种群密度始终控制在K/2的范围内，“多余”的进行采集，可以让经济生物保持最快的增长。 自然界中，一个种群的数量变化并不是只增不减，也未必完全符合上述数学模型，其数量变化有一些基本特性
周期性变化
①季节性变化
一般具有季节性生殖的种类，种群密度的最大值常落在一年中最后一次繁殖之后，以后繁殖停止，种群因只有死亡而无生殖，故种群密度下降，这种下降一直持续到下一年繁殖季节的开始，这时是种群数量最低的时期，由此出现季节性的变化。
实例：在欧亚大陆寒带地区，许多小型鸟兽，通常由于冬季停止繁殖，到春季开始繁殖前，其种群数量最低。到春季开始繁殖后数量一直上升，到秋季因寒冷而停止繁殖以前，其种群数量达到一年的最高峰。体型较大，一年只繁殖一次的动物，如狗獾，旱獭等，其繁殖期在春季，产仔后数量达到高峰，以后由于死亡，数量逐渐降低。
对种群密度有季节性变化的种群做调查时，通常要进行两次。
②年变化
在环境相对稳定的条件下，种子植物及大型脊椎动物的种群密度在较长的时间跨度内呈现周期性变化。例如：常见的乔木如杨、柳每年开花结果一次，其种子数量相对稳定；又如大型有蹄类动物，一般每年产仔1～2个，其种群数量相对稳定。加拿大盘羊36年的种群数量变动，其最高与最低量的比率仅为4.5倍。而美洲赤鹿在20余年冬季数量统计中，其最高量与最低量之比只有1.8倍。
不规则波动
动物中还有一些数量波动很剧烈，但不呈周期性的种类，人们最熟知的是小家鼠。它生活在住宅、农田和打谷场中，据中国科学院的16年统计资料，其年均捕获率波动于0.10～17.57之间，即最高—最低比率为几百倍。又如布氏田鼠也具有不规律的数量变动。其数量最低的年代，平均每公顷只有1.3只鼠，而在数量最高的年份，每公顷可达786只鼠，两者竟差600多倍种群中有出生和死亡，其成员在不断更新之中，但是这种变动都往往围绕着一个平均密度。即种群受某种干扰而发生数量的上升或下降，有重新回到原水平的倾向。这种情况就是动态平衡。
种群的暴发
具不规则或周期性波动的生物都可能出现种群的暴发，赤潮便是此类情况的实例 主条目：种群自然调节
在自然界中，绝大部分种群处于一个相对稳定状态。由于各种因素的作用，种群在生物群落中，与其他生物成比例地维持在某一特定密度水平上，这被称为种群的自然平衡，而这个密度水平则叫做平衡密度。
由于各种因素对自然种群的制约，种群不可能无限制的增长，最终趋向于相对平衡，而密度因素是调节其平衡的重要因素。种群离开其平衡密度后又返回到这一平衡密度的过程称为种群调节。能使种群回到原来平衡密度的因素称为调节因素。
世界上的生物种群大多已达到平衡的稳定期。这种平衡是动态的平衡。一方面，许多物理的和生物的因素都能影响种群的出生率和死亡率，另一方面，种群有自我调节的能力，通过调节而使种群保持平衡。
密度制约因素
影响种群个体数量的因素很多。有些因素的作用是随种群密度而变化的，这种因素称为密度制约因素。
例如，传染病在密度大的种群中更容易传播，因而对种群数量的影响就大，反之，在密度小的种群中影响就小；又如，在密度大的种群中竞争强度比较大，对种群数量的影响也较大，反之就较小。
密度制约因素的反馈调节：生物种群的相对稳定和有规则的波动和密度制约因素的作用有关。当种群数量的增长超过环境的负载能力时，密度制约因素对种群的作用增强，使死亡率增加，而把种群数量压到满载量以下。当种群数量在负载能力以下时，密度制约因素作用减弱，而使种群数量增长。现举几例说明这种反馈调节。
①食物
以生活在加拿大的猞猁为例进行说明，研究人员在90年的时间里，对猞猁和雪兔的数量进行了研究，发现，猞猁种群密度的变化近似随雪兔种群密度的变化而变化，雪兔数量多时，猞猁的食物增多，种群密度上升，其它情况同理，这就是食物对种群调节的影响。
②生殖力
生殖力也受密度的影响，池塘内的椎实螺在低密度时产卵多，高密度时产卵就少。英国林区的大山雀，每窝产卵数随种群密度的大小而减少或增多。但这个效果也可能是由于密度高时食物缺少或某些其他因素的作用所引起的。
③抑制物的分泌
多种生物有分泌抑制物来调节种群密度的能力。在植物中，桉树有自毒现象，密度高时能自行减少其数量。细菌也有类似的情况：繁殖过多时它们的代谢物就将限制数量的再增加；密度降低时，这些代谢产物少，就不足以起抑制作用，因而数量又能上升。
④疾病、寄生物
种群密度越高，流行性传染病、寄生虫病越容易蔓延，结果个体死亡多，种群密度降低。种群密度低了，疾病反而不容易传染了，结果种群密度逐渐恢复。
非密度制约因素
有些因素虽对种群数量起限制作用，但作用强度和种群密度无关。气候因素就是这样，刮风、下雨、降雪、气温都会对种群的数量产生影响，但这种因素起多大作用与种群密度也是无关的，这类因素称为非密度制约因素。
作用：生物种群数量的不规则的变动往往同非密度制约因素有关。非密度制约因素对种群数量的作用一般总是很猛烈的，灾难性的。例如，我国历史上屡有记载的蝗灾是由东亚飞蝗(Locusta migra-toria manilensis)引起的。引起蝗虫大发生的一个物理因素是干旱。东亚飞蝗在禾本科植物的荒草地中产卵，如果雨水多，虫卵或因水淹或因霉菌感染而大量死亡，因而不能成灾，只有气候干旱蝗虫才能大发生，所以我国历史上连年干旱常同时伴随虫灾。
二者的关系
密度制约因素与非密度制约因素何者对种群密度的影响更大需要具体问题具体分析，物理因素等非密度制约因素虽然没有反馈作用，但它们的作用可以为密度制约因素所调节，即可以通过密度制约因素的反馈机制来调节的。当某些物理因素发生巨大变化（如大旱、大寒）或因人的活动（如使用杀虫剂）而使种群死亡率增加，种群数量大幅度下降时，密度制约因素如食物因素就不再起控制作用，因而出生率就得以上升，而种群数量很快就可恢复到原来的水平。
研究生物种群数量变动的规律和影响数量变动的因素，特别是种群数量的自我调节能力，就有可能制定控制种群数量的措施，对种群数量变动进行预测预报，为生产服务(如制定防治害虫的规划，对害虫、害兽发生的测报，以及决定狩猎与采伐的合理度等。
