Eine grundsätzliche Methode ist im GIS die raumbezogene Datenabfrage, sie kann intern oder in der gekoppelten externen Datenbank erfolgen. Ein GIS ermöglicht die Analyse von Nachbarschaftsbeziehungen zwischen einzelnen Objekten, in reinen Datenbanksystemen ist sie dagegen nicht adäquat durchführbar.
Ein Schwerpunkt der GIS-Arbeit liegt auf der Erzeugung neuer Daten aus gespeicherten Informationen. Das kann beispielsweise über algebraische Funktionen oder logische Abfragen erfolgen. Ausweisungen von Flächen mit bestimmten Eigenschaften oder die Berechnung fehlender Werte in einer Oberfläche gleichmäßig verteilter Daten können hier ein Ziel sein.
Die Konvertierungsmöglichkeiten zwischen den im GIS vorhandenen Datenstrukturen (Raster-, Vektor- und Punktdatenformat) erlauben die Verwendung von Daten auf vielfältige Weise. Da jede Datenstruktur unterschiedliche Analysemöglichkeiten bietet, kommt den Konvertierungsmodulen eine große Bedeutung zu.
Geostatistische Verfahren ermöglichen die Untersuchung der Charakteristika räumlich verteilter Daten, also der Analyse von räumlichen Verteilungsmustern. Vornehmlich wird die Geostatistik zur Bewertung oder auch zur Berechnung fehlender Werte eingesetzt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit aus diesen räumlichen Verteilungsmustern interpoliert werden können. So lassen sich aus stichprobenhaft im Gelände ermittelten Daten flächenhafte Verteilungen der untersuchten Phänomene abschätzen.