混沌運動是一種不穩定有限定常運動，即為全局壓縮和局部不穩定的運動，或除了平衡、周期和准周期以外的有限定常運動。這里所謂有限定常運動，指的是運動狀態在某種意義上（以相空間的有限域為整體）不隨時間而變化。這個定義指出了混沌運動的兩個主要特征：不穩定性（該性質可用平均Lyapunov指數精確刻畫）和有限性。
混沌運動是確定性非線性系統所特有的復雜運動形態，出現在某些耗散系統、不可積Hamilton保守系統和非線性離散映射系統中。至今科學上仍沒有給混沌下一個完全統一的定義，它的定常狀態不是通常概念下確定性運動的三者狀態：靜止（平衡）、周期運動和准周期運動，而是局限於有限區域且軌道永不重復、性態復雜的運動。它有時被描述為具有無窮大周期的周期運動或貌似隨機的運動等。
與其它復雜現象相區別，混沌運動有着自己獨有的特征，主要有：
有界性
混沌是有界的，它的運動軌線始終局限於一個確定的區域，這個區域稱為混沌吸引域。無論混沌系統內部多么不穩定，它的軌線都不會走出混沌吸引域。所以從整體上來說混沌系統是穩定的。
遍歷性
混沌運動在其混沌吸引域內是各態歷經的，即在有限時間內混沌軌道混沌區內每一個狀態點。
內隨機性
一定條件下，如果系統的某個狀態可能出現，也可能不出現，該系統被認為具有隨機性。一般來說當系統受到外界干擾時才產生這種隨機性，一個完全確定的系統（能用確定的微分方程表示），在不受外界干擾的情況下，其運動也應當是確定的，即是可以預測的。
受外界的混沌系統雖能用確定微分方程表示，但其運動狀態卻具有某些“隨機”性，那么產生這些隨機性的根源只能在系統自身，即混沌系統內部自發產生的這種隨機性。當然，混沌的隨機性與一般隨機性是有很大區別的，天體力學中平面三體問題很好地說明了這種內隨機性。當用計算機計算1個小質量天體 在2個等量大天體M1、M2所在平面的垂線上運動時，來回擺動若干次以后，行為變得隨機起來，人們再也無法預測它的位置、速度及回歸時間。
混沌的內隨機性實際上就是它的不可預測性，對初值的敏感性造就了它的這一性質。同時也說明混沌是局部不穩定的。
分維性
分維性是指混沌的運動軌線在相空間中的行為特征。混沌系統在相空間中的運動軌線，在某個有限區域內經過無限次折疊，不同於一般確定性運動，不能用一般的幾何術語來表示，而分數維正好可以表示這種無限次折疊。分維性表示混沌運動狀態具有多葉、多層結構，且葉層越分越細，表現為無限層次的自相似結構。
標度性
標度性是指混沌運動是無序中的有序態。其有序可以理解為：只要數值或實驗設備精度足夠高，總可以在小尺度的混沌區內看到其中有序的運動花樣。
普適性
所謂普適性是指不同系統在趨向混沌態時所表現出來的某些共同特征，它不依具體的系統方程或參數而變。具體體現為幾個混沌普適常數，如著名的Feigenbaum常數等。普適性是混沌內在規律必性的一種體現。
統計特征
正的Lyapunov指數以及連續功率譜等。Lyapunov指數是對非線性映射產生運動軌道相互間走近或分離的整體效果進行的定量刻畫。對於非線性映射而言，Lyapunov指數表示n維相空間中運動軌道沿各基向量的平均指數發散率。當Lyapunov指數小於零時，軌道間的距離按指數消失，系統運動狀態對應於周期運動或不動點；當Lyapunov指數大於零時，則在初始狀態相鄰的軌道將按指數分離，系統運動對應於混沌狀態；當Lyapunov指數等於零時，各軌道間距不變，迭代產生的點對應分岔點（即周期加倍的位置）。
對混沌系統而言，正的Lyapunov指數表明軌線在每個局部都是不穩定的，相鄰軌道按指數分離。但是由吸引子的有界性，軌道不能分離到無限遠處，所以混沌軌道只能在一個局限區域內反復折疊，但又永遠互不相交，形成了混沌吸引子的特殊結構。同時正的Lyapunov指數也表示相鄰點信息量的丟失，其值越大，信息量丟失越嚴重，混沌程度越高。