生物學過程是沙漠化過程研究的主要內容之一。

沙漠化的生物學過程主要為植被的退化演替, 即景觀格局的演變。近年的研究結果表明, 沙質草地植被的演替與一般草地不同, 沙區植被 的演替大多數是與土地沙漠化程度相關聯, 植被演替階段往往與土地沙漠化程度互為前提。

沙區植被沙漠化演變既有漸變, 又有突變,這種漸變和突變既受制于上地沙漠化程度, 又決定于其本身的結構功能;在不同類型沙漠化土地間, 植被為突變; 在相同類型沙漠化土地內, 輕度沙漠化土地上的植被為漸變 , 重度沙漠化土地上的植被為突變。

沙區植被退化方式和速度往往因其成因不同而存在較大差別。因放牧引起的草地沙漠化, 其規律是: 生物多樣性、植被蓋度、草層高度和牧草產量均呈明顯下降; 多年生牧草首先從草地中退出, 然后家畜喜食的一年生牧草退出, 草地最終將以家畜不喜食或不食的劣質牧草和有 害牧草占優勢。在蓋度下降到一定程度時,地表首先出現小的裸斑,小裸斑逐步擴大并連片, 最終導致地面全部沙化。

由風沙危害及水分狀況等原因引起的草地沙漠化過程與放牧引起的土地沙漠化過程有相似之處,但也有區別,其區別主要表現于:由沙丘陰坡到沙丘陽坡, 由濕地向旱地,由固定沙地到流動沙地植被迅速惡化;其速度明顯高于放牧引起的植被退化,但植被高度和產量不一定下降, 只是植被蓋度和植物種組成迅速減少。

沙地退化植被在有利環境條件下可以發生正向演替,植物種組成、植被蓋度、高度均明顯增加,群落中草本植物比重增大。