Klimatologia on ilmakehän ja säämallien tutkimista ajan kuluessa. Tämä tieteenala keskittyy eri puolilla maailmaa esiintyvien säämallien tallentamiseen ja analysointiin sekä niiden aiheuttavien ilmakehäolosuhteiden ymmärtämiseen. Se sekoitetaan joskus meteorologiaan, joka on sään ja sääennusteiden tutkimusta. Ilmatiologia keskittyy kuitenkin pääasiassa niihin luonnollisiin ja keinotekoisiin voimiin, jotka vaikuttavat pitkän aikavälin säämalleihin. Tähän alaan erikoistuneita tutkijoita kutsutaan ilmastotutkijoiksi.
Ensimmäiset ilmastotutkimukset voidaan jäljittää antiikin Kreikkaan, mutta ilmastotiede, sellaisena kuin se nykyään tunnetaan, syntyi vasta teollisen aikakauden alkaessa 1800-luvulla. Klimatologian tiede kasvoi, kun tutkijat alkoivat kiinnostua säämallien ymmärtämisestä. Viime aikoina ilmastotieteilijät ovat yhä enemmän keskittyneet tutkimuksissaan maapallon ilmaston muutoksiin, jotka ovat tapahtuneet teollisen ajan jälkeen. Maapallo on lämmennyt ja lämmennyt, kun ihmisen teollisuus on laajentunut ja vapauttanut ilmakehään enemmän hiiltä. Tämä ilmaston lämpenemiseksi kutsuttu vaikutus on erityisen tärkeä tutkimuskohde ilmastotieteilijöille. Ilmaston lämpenemistä tutkimalla ilmastotieteilijät voivat paremmin ymmärtää ja ennustaa ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen pitkän aikavälin vaikutuksia.
Klimatologit pyrkivät ymmärtämään ilmastoon liittyviä kolmea pääasiallista näkökohtaa. Ensimmäinen näkökohta on säämallit, jotka säätelevät normaalioloja eri puolilla maailmaa sijaitsevilla eri alueilla. Toiseksi ilmastotutkijat pyrkivät ymmärtämään sään eri näkökohtien, kuten lämpötilan ja auringonvalon, välistä suhdetta. Kolmas ilmaston osa-alue, jota ilmastotieteilijät tutkivat, on se, miten sää muuttuu ajan myötä. Tämäntyyppisten tutkimusten tulokset ovat osoittaneet, että ihmisen toiminta vaikuttaa maapallon yleiseen ilmastoon, esimerkiksi maailmanlaajuisen lämpötilan nousun myötä. Tämän vuoksi ilmastoasiantuntijat tutkivat myös ihmisen aiheuttamia ilmastonmuutoksen syitä; he ovat erityisen kiinnostuneita kasvihuonekaasuja vapauttavista toimista ja niiden yhteydestä ilmaston lämpenemiseen.
Lisäksi ilmastotieteilijät tarkastelevat luonnollisia muutoksia ilma- ja merivirtauksissa, kuten El Niñoa ja La Niñaa, jotka ovat Tyynen valtameren ilman ja valtameren lämpötilan vaihtelusyklin vaiheita. Lämpimän El Niñon ja kylmän La Niñan vaiheiden välinen vaihtelu vaikuttaa ilmastoon kaikkialla maailmassa. Nämä merivirtauskuviot aiheuttavat muutoksia ilmakehän ja valtameren lämpötilojen välisessä tavanomaisessa erossa. Tutkijat tarkastelevat myös vaikutuksia, joita auringon aktiivisuudella ja aurinkoenergian vaihteluilla on ilmastoon ajan myötä. Jotkin luonnonilmiöt voivat vaikuttaa ilmaston lämpenemiseen, kuten tulivuorenpurkaukset, jotka vapauttavat ilmakehään suuria määriä tuhkaa ja muita aineita. Vaikka nämä tapahtumat varjostavat maapalloa auringon säteilyltä vapauttamalla ilmakehään suuria määriä kasvihuonekaasuja, nämä samat kasvihuonekaasut edistävät ilmaston lämpenemistä. Suuri osa ilmastoasiantuntijoiden tutkimasta ilmastonmuutoksesta liittyy kuitenkin ihmisen toimintaan, erityisesti fossiilisten polttoaineiden käyttöön, sillä fossiiliset polttoaineet ovat nykyään suurin ilmakehän kasvihuonekaasujen aiheuttaja. Näiden kaasujen vaikutuksen tutkiminen antaa tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää paitsi sitä, miten maapallon ilmasto on muuttunut ihmisen toiminnan seurauksena, myös sitä, miten se saattaa jatkossakin muuttua, jos ihminen jatkaa kasvihuonekaasujen päästämistä ilmakehään.
