种群由同一物种的成员组成，这些成员同时在同一地区生活和互动。当一种群中的个体繁殖时，它们将它们的基因传递给它们的后代。这些基因中的许多是多态的，这意味着它们以多种变体形式存在。基因的这种变异被称为等位基因。群体中所有等位基因的集合集称为基因库。
虽然某一特定基因的某些等位基因可能被普遍观察到，但其它变异可能会以更低的频率出现。基因库不是静态的。基因库中等位基因的频率和发生率可能随着时间的推移而改变。例如，等位基因频率因随机突变、自然选择、迁移和偶然性而改变。
群体遗传学研究群体内和群体间的遗传变异，以及各代等位基因频率的变化。群体遗传学家利用数学模型来研究和预测群体中的等位基因频率。
自然种群的基因库可能存在显著差异。群体遗传学的一个目标是确定同一物种不同群体之间的遗传变异。研究这些变异对物种健康、驯化、管理和保护具有重要意义。例如，日益增长的城市化逐渐破坏了自然景观，导致自然种群的栖息地丧失、分裂和孤立。比较不同种群的遗传组成可以提供有关基因流动的见解，对维持野生动物种群具有重要意义。了解濒危物种的基因库对于保护全球生态系统中的生物多样性至关重要。
群体遗传学也可以用来研究人类群体内和群体间的遗传变异。等位基因频率的差异是某些遗传性疾病发生变异的基础，如阿什肯纳齐犹太人群中的泰萨克斯病或地中海人群中的β地中海贫血。
群体遗传学也被用来理解其他人类特征的遗传基础。例如，群体遗传学被用来研究自然选择是如何影响先天免疫、身高和寿命的。
