Les climatologues étudient à la fois la nature des climats — locaux, régionaux ou mondiaux — et les facteurs naturels ou induits par l'homme qui provoquent des changements climatiques. En règle générale, le climat varie peu, en un endroit donné du globe, sur une durée de l'échelle du siècle.
« Le calcul de telles normales en climat changeant est bien plus complexe. Il repose sur des méthodes statistiques avancées et parfois, sur des modèles climatiques compliqués. » Pour évaluer le changement climatique sur un plus long terme, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) préconise de conserver la période 1961-1990 comme référence.
La connaissance de nombreux paramètres, comme la température à différentes altitudes, l'influence des gaz à effet de serre, l'humidité relative, l'évaporation océanique, est nécessaire pour produire des modèles climatiques numériques et anticiper les changements du climat que l'on peut prévoir à plus ou moins long terme (30 ans).
Si la climatologie s'intéresse essentiellement à l'étude et à la classification des climats existants sur Terre, une partie de la discipline traite aussi de l'interaction entre climat et société ; que ce soit l'influence du climat sur l'Homme ou de l'Homme sur le climat.