Три метода на изследване намират приложение в метеорологията:

      а) метод на наблюдението в естествени условия;

      б) метод на експеримента (лабораторен и в естествени условия);

      в) метод на теоретичния анализ на основата на законите на физиката.

   Основен метод на изследване във физиката е лабораторният експеримент. В процеса на извършването му изследователят има възможност да мени условията и да въвежда или отстранява различни фактори с определена цел - установяване на причинните връзки в изучаваните явления и законите, които ги управляват. Лабораторията на метеоролога е атмосферата. Но за разлика от физика, той не може да изолира влиянието на многобройните второстепенни фактори и да изучава в чист вид резултата от своята намеса в естествения ход на процеса. Освен това експерименти над обширни територии засега са извън практическите възможности на човека поради необходимостта от огромна енергия.

   Чрез метеорологичните наблюдения се събира огромно количество данни, които се подлагат на обработка и анализ. Статистическият подход позволява чрез усредняване да се отсеят случайните страни на явлението и да се отдели основното. Този подход позволява да се установи наличие на връзки между измененията във времето или в пространството на различните метеорологични величини, но не обяснява тези връзки. Затова е необходим задълбочен анализ на основата на общите физични закони. Едва напоследък се създава количествена теория за много атмосферни явления. В тази насока съществуват две основни трудности. Първо - не всички фактори са известни или ако са известни, трудно могат да се облекат в математическа форма. Второ - дори и съответните уравнения да са съставени, далеч не всякога те са решими със средствата на съвременната математика. Необходим е умел подход, изразяващ се във: физическо обосновано отделяне само на основните фактори, влияещи върху хода на процеса; широка физическа и математическа компетентност, за да се построи теоретична схема на явлението, максимално близка до действителността.

   В атмосферата непрекъснато протичат различни процеси и се развиват различни явления. Всичко това е проява на физичното състояние на атмосферата или времето. В даден момент и на определено място то се характеризира с редица физични величини и явления. Онези физични характеристики на състоянието на атмосферата, които могат да се измерят, се наричат метеорологични елементи, а метеорологичните (атмосферни) явления характеризират това състояние качествено. Например валежът е атмосферно явление, а количеството и интензитетът му - метеорологични елементи.

   В хода на развитието на метеорологията се очертава тенденция към оформяне на отделни големи клонове като самостоятелни научни дисциплини, които се различават по характера на изучаваните явления и използваните методи.

 Динамична метеорология (теоретична физика на атмосферата) - изучава кинематиката и динамиката на атмосферата на базата на термо- и хидродинамиката. Една от основните и задачи е разработването на методи за числено моделиране на явленията.

  Синоптична метеорология - учение за предсказване на времето. Прави анализ на атмосферните процеси с помощта на синоптични карти. Това са географски карти, върху които са нанесени данни от метеорологични наблюдения, извършени в различни точки от Земята и на различни височини в атмосферата. Те позволяват с един поглед да се добие представа за времето над обширен район (“синопсис” означава обозрим). В края на 60-те години започва развитието на нов клон от синоптичната метеорология - спътниковата метеорология.

  Климатология - учение за закономерностите на формиране на климата на различни географски райони. Под климат се разбира многогодишният, характерен за даден район режим на метеорологично време, определен от притока слънчева енергия, свойствата на земната (подложна) повърхност и атмосферната циркулация.

  Приложна метеорология, в която влизат:

           а) метеорологично приборостроене;

    б) агрометеорология - разработва методи за агробиологични прогнози с цел оптимално планиране на различните селскостопански дейности;

          в) авиационна и морска метеорология, чиято задача е безопасността на тези видове транспорт;

       г) биометеорология - изучава влиянието на атмосферните явления върху живите организми.