Um die Fähigkeiten und Fertigkeiten von Schülerinnen und Schülern näher charakterisieren und erfassen zu können, werden entsprechende Kompetenzmodelle benötigt. Sie bilden die Grundlage für die Entwicklung von Messinstrumenten und die Interpretation der damit verbundenen Messergebnisse. Auf ihrer Basis kann die gezielte Diagnose und Förderung von Kompetenzen erfolgen. Dies setzt allerdings eine domänenspezifische Präzisierung und empirische Fundierung der Modelle voraus. Das hier vorgestellte Kompetenzstrukturmodell bezieht sich auf den Bereich des biologischen Fachwissens. Es fokussiert auf drei zentrale biologische Konzepte unter besonderer Berücksichtigung biologischer Fachbegriffe. Seine empirische Überprüfung erfolgt mittels eines aufgabenbasierten Testinstruments im Multimatrix-Design. Die Mehrfachwahlaufgaben sind dabei a priori den Komponenten des theoretischen Modells zugeordnet. Als Datengrundlage dienen die Leistungen von rund 3300 Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufen fünf bis zehn der allgemeinbildenden Schulformen. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Kompetenzen durch die Testitems valide abgebildet werden und das Modell zur Charakterisierung der Kompetenzen geeignet ist. Insgesamt ergeben sich drei differenzierte Modelle für die Konzepte Blutkreislauf, Entwicklung und Vererbung mit Niveaus des konzeptuellen Wissens. Das begrifflich-sprachliche Wissen differenziert konzeptübergreifend in zwei Niveaus. Durch die quasi-längsschnittliche Untersuchung ergeben sich außerdem Hinweise zur Kompetenzentwicklung und -förderung.