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[3] 。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[1] 。
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。[1]
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。[1]
自然增长与下降
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