Mô hình hoạt động của WebGIS được chia ra 2 phần, đó là các hoạt động ở phía máy khách và các hoạt động xử lý ở phía máy chủ, cụ thể:
Phía máy khách: Máy khách được dùng để hiển thị kết quả đến cho người dùng, nhận các điều khiển trực tiếp từ người dùng và tương tác với máy chủ web thông qua trình duyệt web. Các trình duyệt web chủ yếu sử dụng ngôn ngữ HTML để định dạng trang web, thêm vào đó một vài thành phần bổ sung được nhúng vào trình duyệt để tăng tính tương tác với người dùng.
Phía máy chủ: Bao gồm máy chủ web, máy chủ ứng dụng bổ sung, máy chủ tổng hợp dữ liệu và các máy chủ cơ sở dữ liệu phân tán. Phía máy chủ có nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu không gian, xử lý tính toán và trả về kết quả dưới dạng hiển thị được cho phía máy khách.
- Máy chủ web: Máy chủ web được dùng để phục vụ cho các ứng dụng web, máy chủ web sử dụng nghi thức HTTP để giao tiếp với trình duyệt web ở phía máy khách. Tất cả các yêu cầu từ phía máy khách đối với ứng dụng web đều được máy chủ web nhận và thông dịch sau đó gọi các chức năng của ứng dụng thông qua các giao tiếp mạng.
- Máy chủ ứng dụng bổ sung: Đây là phần chương trình gọi các hàm xử lý dữ liệu GIS, gửi yêu cầu lấy dữ liệu đến máy chủ tổng hợp dữ liệu.
- Máy chủ cơ sở dữ liệu: Máy chủ cơ sở dữ liệu là phần cơ bản của hầu hết các hệ thống thông tin với nhiệm vụ quản lý và điều khiển truy cập dữ liệu. Ban đầu, đa số hệ thống GIS sử dụng hệ thống tập tin để quản lý dữ liệu không gian và hệ quản trị cơ sở dữ liệu để quản lý dữ liệu thuộc tính. Ngày nay, có nhiều sản phẩm và giải pháp phần mềm thay thế để quản lý dữ liệu không gian và thuộc tính một cách chung nhất, ví dụ: SDE của ESRI (1998), SpatialWare của MapInfo (1998), … Nhìn chung các cơ sở dữ liệu sử dụng đều là các cơ sở dữ liệu quan hệ, trong tương lai sẽ thay thế bằng cơ sở dữ liệu hướng đối tượng.
- Máy chủ tổng hợp dữ liệu: Máy chủ tổng hợp dữ liệu được sử dụng để chứa các chỉ mục và quản lý các nguồn dữ liệu không gian trong các máy chủ cơ sở dữ liệu phân tán, máy chủ này đóng vai trò như một cuốn mục lục, thực hiện truy vấn trong mục lục này để tìm địa chỉ chứa nguồn dữ liệu cần dùng.
Có 2 chiến thuật lựa chọn, tương ứng với 2 kiểu triển khai kiến trúc, kiểu thứ nhất tập trung công việc chủ yếu cho phía máy chủ, kiểu kia ngược lại tập trung công việc cho phía máy khách.