Lovelock rozvinul své myšlenky Gaia poté, co pracoval pro NASA na odhalování života na Marsu.
Hypotéza Gaia předpokládá, že živé a neživé části Země tvoří složitý vzájemně se ovlivňující systém, který lze považovat za jeden organismus. Tato myšlenka, pojmenovaná podle řecké bohyně Gaii na návrh spisovatele Williama Goldinga, spočívá v tom, že biosféra má regulační účinek na životní prostředí Země, které působí na udržení života.
Zatímco mnozí ekologové tuto myšlenku snadno přijali, ostatní vědci ji příliš neakceptovali. Mezi její nejznámější kritiky patří evoluční biologové Richard Dawkins, Ford Doolittle a Stephen Jay Gould. Lovelock na tyto kritiky reagoval modely, jako je například Daisyworld, které ilustrují, jak se vlivy na úrovni jednotlivce mohou za vhodných okolností promítnout do planetární homeostázy.
Globální oteplování
V knize Pomsta Gaii z roku 2006 Lovelock tvrdí, že ničení deštných pralesů oslabuje schopnost Gaii kontrolovat skleníkové plyny v atmosféře. Pokud by se tak stalo, negativní zpětná vazba planety by zeslábla a globální oteplování by se nadále zvyšovalo.
Oteplování oceánů vede k rozšíření oceánské termoklinální vrstvy tropických oceánů nad arktické a antarktické vody. Tím by se zabránilo vzestupu oceánských živin do povrchových vod a eliminovalo by se kvetení řas fytoplanktonu. Vzhledem k tomu, že fytoplankton a lesy jsou hlavními způsoby, kterými Gaia odčerpává oxid uhličitý a odvádí ho z atmosféry, dojde podle Lovelocka v důsledku eliminace tohoto environmentálního pufru k tomu, že se většina Země stane do poloviny tohoto století neobyvatelnou pro člověka a další formy života a dojde k masivnímu rozšíření tropických pouští. Tento poněkud extrémní názor zastává jen několik dalších vědců.
Ve své nejnovější knize "Mizející tvář Gaii" naznačuje, že jsme možná již překročili bod zvratu pozemského klimatu do trvale horkého stavu. Za těchto podmínek Lovelock očekává, že lidská civilizace bude mít problém přežít. Očekává, že změna bude podobná paleocénně-eocénnímu tepelnému maximu, kdy koncentrace CO2 v atmosféře dosahovala 450 ppm. V té době měl Severní ledový oceán teplotu 23 °C a žili v něm krokodýli, zbytek světa tvořily převážně křoviny a pouště.
Klimatické inženýrství
V září 2007 Lovelock a Chris Rapley navrhli vybudování oceánských čerpadel, která by čerpala vodu z pod termokliny a "hnojila řasy v povrchových vodách a podporovala jejich rozkvět". Základní myšlenkou bylo urychlit přenos oxidu uhličitého z atmosféry do oceánu zvýšením fotosyntézy a zvýšením exportu organického uhlíku (ve formě "mořského sněhu") do hlubin oceánu. Schéma podobné tomu, které navrhli Lovelock a Rapley, nezávisle vyvíjí komerční společnost.
Lovelock následně uvedl, že jeho návrh měl podnítit zájem a dalším krokem bude výzkum.
