ICOS stellt eine dezentrale Forschungsinfrastruktur bereit, welche europaweit kontinuierliche Langzeitmessungen der Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O) in der Atmosphäre garantiert. Bodennahe Beobachtungsstationen messen die Austauschraten dieser Treibhausgase in allen relevanten Ökosystemen (land- und forstwirtschaftlich genutzte Flächen, naturnahe Gebiete). Die Treibhausgas-Bilanzen der europäischen Randmeere und des Nordatlantiks werden kontinuierlich durch automatische Messungen auf Handelsschiffen und an Zeitserienstationen erfasst.

Weil bereits sehr kleine Konzentrationsunterschiede zwischen atmosphärischen Messstationen wichtige Informationen über die räumliche Verteilung der Emissionen von Treibhausgasen enthalten, ist höchste Genauigkeit der Messdaten eine wesentliche Vorraussetzung für die Messungen im Integrated Carbon Observation System (ICOS). Um dieses Ziel zu verwirklichen und die langfristige Konsistenz der Daten sicherzustellen, sind im Konzept von ICOS je ein zentrales Labor für Spurengas- und für Radiokohlenstoffmessungen vorgesehen. Diese Labore versorgen alle europäischen ICOS-Stationen mit Kalibriergasen. Außerdem werden Messungen weiterer Spurengase in Luftproben für das gesamte europäische Messnetz durchgeführt, die an den kontinuierlichen atmosphärischen Beobachtungsstationen nicht gemessen werden können.

Die für höchste Präzision und bestmögliche Standardisierung notwendigen Qualitätsansprüche konnten in der Vergangenheit nur von wenigen Laboren erreicht werden. Eines davon ist das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, welches das zentrale Flask- und Kalibrierlabor beheimatet. Ein weiteres zentrales Labor befindet sich in Heidelberg: das Institut für Umweltphysik führt dort die Messung des radioaktiven Kohlenstoffisotops ¹⁴C durch, dessen Vorkommen im Treibhausgas Kohlendioxid auf die Verteilung zwischen natürlichen und fossilen Quellen schließen lässt. Damit stellt Deutschland ein Herzstück der europäischen Infrastruktur von ICOS.