大气变化是一种自然现象，与人们的日常生活和生产有着密切联系。人类从远古时代起，就在不断总结天气变化的规律，探寻影响天气变化的背后原因，逐渐积累了很多相关知识。例如远在3000年前，中国殷代甲骨文中已有风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷暴等记载，春秋战国时确定了廿四节气。自古民间不少关于天气的谚语流传至今。
古希腊人认为，地球由于太阳光线倾斜角度的不同，才产生气候的差异。公元前350年，亚里士多德发表了《气象通典》一书，系统探讨了各种天气现象及成因，对其后的西方人影响很大。文艺复兴推动了欧洲近代科学发展，17世纪人们发明了温度计和气压计。1653年，意大利建立了世界上首座气象台，此后其他国家也纷纷效仿。
科学家逐渐认识到，影响天气的最主要因素是大气中的热能导致气压变化，使空气携带热量和水分在海陆之间、南北之间以及地面和高空之间不断运动。1804年，法国科学家盖吕萨克将携带有测温装置的高空探测气球释放到天空，发现每升高1000米，气温便下降5.5℃。
后来人们了解到，在距离地面1.1万米左右，大气温度降到零下55℃，但是再往上，温度便不再随高度增加而下降，而是几乎恒定不变。法国气象学家德波特发现，上面部分的大气比较稳定，主要是水平方向的气流，将其称为平流层，也称同温层。这里空气比较稀薄，基本上没有水汽和尘埃，晴朗无云，很少发生天气变化。而下面的大气受地面影响较大，以上升气流和下降气流为主，故称为对流层，大气中的水汽几乎全部集中在对流层，刮风、下雨、降雪、云雾等天气活动都发生在这一层内。
从18世纪起，科学家们开始根据观测台网的资料，分析追踪风暴的路径，由此得出了天气系统移动的概念。19世纪，人们认识到地球的自转导致大气环流，在低纬度地区形成东风带（也称信风带），在中高纬度地区形成西风带。由于“科里奥利效应”，北半球的气团沿顺时针方向回转，形成气旋，造成热带风暴。
20世纪20至40年代，挪威气象学家皮叶克涅斯创立了气旋形成的锋面学说，瑞典科学家罗斯贝提出了大气环流的长波理论，另一位瑞典科学家贝吉龙提出了冷云降雨学说，这些学说为短期天气预报奠定了理论基础。20世纪50年代以来，由于雷达、激光、遥感、探空火箭及人造卫星等新技术的应用，极大促进了气象学的发展。科学家们开始用计算机模拟天气变化过程，能够进行更准确的中长期天气预报。