Die Klimatologie ist die Lehre vom Klimasystem und dessen räumliche und zeitliche Veränderung sowie die dafür verantwortlichen Faktoren. Daher untersucht die Klimatologie die Bedingungen und Abläufe der physikalischen Erscheinungen der Atmosphäre. Der Schwerpunkt liegt dabei in der Betrachtung der physikalischen Zustände in der mittleren und höheren Atmosphäre und deren Einflüsse auf das Klimageschehen auf der Erdoberfläche. Dabei ist für sie eine analytische Arbeitsweise kennzeichnend, indem sie das Klimasystem in einzelne physikalisch definier- und messbare Elemente, die Klimaelemente, auflöst.

Die Klimatologie kann in zwei Teilgebiete untergliedert werden:

• Separative Klimatologie: Die separative Klimatologie untersucht separat die kausalen Verflechtungen und raum-zeitlichen Strukturen der einzelnen Klimaelemente.
• Synoptische Klimatologie: Aufbauend auf der separativen Klimatologie und der Synoptik, untersucht die synoptische Klimatologie die längerfristige Abfolge der Zustände und Prozesse der Atmosphäre und ihre Häufigkeit, insbesondere die  Atmosphärische Zirkulation, die Entwicklung von Druckgebieten und Fronten und die sie jeweils beeinflussenden Faktoren. Demnach führt diese die einzelnen Elemente im Sinne des Klimasystems wieder zusammen. 

Da das Klimasystem eng mit den anderen Teilsystemen der Erde in Wechselbeziehung steht, ist die Klimatologie als Teilgebiet der Meteorologie eine multi- und interdisziplinär arbeitende Wissenschaft.