특히 대기권 중의 대류권과 성층권(成層圈) 하부의 기상현상을 주로 다룬다. 기상학은 매일 나타나는 기온·습도·기압·바람·운량·강수 등의 변화와 이런 변화가 일어나는 원인에 대하여 체계적인 연구를 하는 학문이며, 이런 연구결과는 일기예보의 기초가 된다. 기상학은 일정한 지역에서 장기간(수개월~수백만 년)에 걸친 기후상태와 기후변화를 다루는 기후학과는 매우 밀접한 관계를 가지고 있으나 뚜렷한 차이가 있다.

기상학은 크게 기상역학(氣象力學)과 종관기상학(綜觀氣象學)의 2분야로 나뉜다. 기상역학은 주로 대기의 움직임과 대류를 일으키는 물리적 과정을 다룬다. 컴퓨터 모형을 광범위하게 이용하여 지구 전반에 걸친 대기의 순환이나 토네이도(tornado)·태풍과 같은 소규모 운동계를 연구하며, 수치 모델들은 하부대기권의 물리적 성질과 구조를 이해하는 데 크게 기여한다.

종관기상학은 날씨와 직접적으로 관련되어 있는 대기현상을 다룬다. 종관기상학이란 명칭은 넓은 지역에 걸쳐 특정시간에 각 지역의 기상상태를 동시에 관측한 후 이를 일기도에 표시함으로써 그 지역의 날씨에 대하여 알아내는 종관적인 방법으로부터 나온 것이다.

이런 관측자료는 지상에 설치되어 있는 기상 레이더와 기구기상관측계, 지구궤도를 도는 기상위성 등의 원격감지장치를 포함한 전세계적으로 설치되어 있는 여러 관측체계들로부터 일정하게 수집된다. 이 관측결과를 이용하여 종관기상 학자들은 국지적 단기예보를 하며 대개 수시간에서 12시간 동안의 기상상태를 예보하게 되어 있다.

좀더 넓은 지역에 대한 장기예보에는 수치예보법(數値豫報法)이 이용된다. 수치예보법은 비선형 편미분 방정식 형태의 운동량·열·질량·수분 등의 물리보존법칙을 이용한다. 고속의 초대형 전자계산기(supercomputer)를 이용하여 수치적분된 이러한 수치모델들은 5~7일 정도의 기압분포와 기온이상을 정확히 예보할 수 있으며, 강수량에 대해서도 어느 정도 정확한 예보를 할 수 있다. 이러한 수치예보법은 대개 기상역학의 원리와 방법론에 기초를 두고 있다.