大气科学的研究对象是地球大气及其与地球系统其他圈层以及人类活动之间的相互作用。它研究地球大气的运动和变化规律，与这种变化相联系的天气和气候的形成机理，地球系统其他圈层和人类活动对天气及气候变化的影响，以及如何利用大气科学理论和技术为人类服务。

大气运动满足质量、动量和能量守恒等基本物理规律。从这些基本规律出发，揭示发生在大气中的物理、化学现象和过程，大气运动和变化规律及其相伴随的天气及气候的形成与变化规律，以及如何利用这些规律为人类服务是大气科学的重要任务。同时，大气科学也与地球系统中的其他学科相结合，研究大气运动在不同时空尺度上的演变特征及其对经济社会发展的影响。因此，数学、物理学、化学以及计算科学和信息技术等学科是大气科学的学科基础，它们与大气科学的结合，形成了大气科学自身的学科基础：天气学、气候学、动力气象学、大气物 理学、大气探测学、大气动力学、大气数值模拟与预报、大气化学等。

观测是大气科学研究的重要手段。除常规气象观测外，现代大气观测还利用大量的信息技术和其他高科技手段，地基、空基、天基构成的三维空间观测网在大气科学研究和业务预报中发挥着愈来愈重要的作用。大气科学研究的另一重要方法是利用本学科的基础理论与资料，进行分析（诊断）和理解大气运动与演变的机制与规律。从大气运动所满足的物理、化学过程以及生物活动等的基本规律出发，利用数学方法和计算机，求解大气运动方程组，对大气过程进行数值模拟，解释大气运动和变化的规律，也是大气科学的重要研究方法之一。