大约由20世纪20年代以来，气候学开始从纯粹描述性的研究发展到气候形成和变化的原因的研究，相继出现了物理气候和动力气候的概念。前者主要指的是地-气系统的辐射平衡(见辐射差额)、热量平衡和水分循环等的研究,后者指的是流体力学的气候模拟。事实上,两者都属物理学的范畴。从60年代以来，这两方面的工作更紧密地结合起来，逐渐发展成独立的学科──物理动力气候学。物理动力气候学把气候主要当作物理问题来研究，既注意气候与大气的动力、热力过程和能量转换过程的关系，也注意到地-气系统的统一性,把气候看作在太阳辐射作用下，大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈所组成的综合体，即气候系统相互作用的产物。其最基本的内容是研究气候系统各部分之间相互作用的物理过程（包括某些化学和生物过程）。
迄今人们对一些重要的气候形成因子，如辐射、海洋和海陆分布、冰雪覆盖状况，大气中的二氧化碳、臭氧、尘埃等含量和云量的变化，以及人类活动对气候的影响等,已有初步研究,建立了若干种类的气候模式。在此基础上，对全球气候的基本特征提出了某些物理解释，对气候变化和气候异常的原因也提出了若干假说。如用二氧化碳含量的增加来解释全球性的增温现象（见温室效应）；用火山爆发引起大气中火山灰含量的增多来解释全球性的降温；用极冰-反射率-温度的关系来解释冰期形成等（见极地气象学）。但整个学科还处于发展阶段。
此外，在全球大气研究计划和世界气候计划中，都把气候的物理基础的研究作为主要目标之一。