Die Klimatologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, ein Teilgebiet der Geophysik im weiteren Sinn. Die Geophysik im weiteren Sinn beinhaltet alle physikalischen Wissenschaften, welche sich auf die Erde beziehen. Dies ist zunächst die Geophysik im engeren Sinn, welche sich mit der Physik der festen Erde befasst. Dazu gehören unter anderem Seismologie und Vulkanologie. Die Physik der Atmosphäre ist Gegenstand der Meteorologie. Mit diesem Gebiet hat die Klimatologie die größten Schnittmengen. Weitere Gebiete sind die Geographie, die Ozeanographie, die Glaziologie (Physik des Eises) und die Geochemie, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.

Für das Klima gibt es aufgrund der Komplexität der Thematik keine abgeschlossene und einfache Definition. Eine umfangreichere Definition lautet „Das terrestrische Klima ist für einen Standort, eine definierbare Region oder ggf. auch globale statistische Beschreibung der relevanten Klimaelemente, die für eine nicht zu kleine zeitliche Größenordnung die Gegebenheiten und Variationen der Erdatmosphäre hinreichend ausführlich charakterisiert. Ursächlich ist das Klima eine Folge der physikochemischen Prozesse und Wechselwirkungen im Klimasystem sowie der externen Einflüsse auf dieses System.“ Allerdings soll auch eine kürzere und gebräuchliche Definitionfür das Klima angegeben werden: „Das Klima  ist der mittlere Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Gebiet über einen längeren Zeitraum.“ Als Zeitspanne empfiehlt die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organization, WMO) mindestens 30 Jahre. Je nach Forschungsgegenständen sind auch Betrachtungen über längere Zeiträume wie Jahrhunderte und Jahrtausende gebräuchlich. So befasst sich die Paläoklimatologie mit dem jeweiligen Klima der verschiedenen Erdzeitalter.

Das Klimasystem der Erde umfasst folgende Bereiche:

• Atmosphäre
• Hydrosphäre (Ozeane, Meere, Flüsse, Seen)
• Biosphäre (Fauna, Flora)
• Lithosphäre (feste, unbelebte Erde)
• Kryosphäre (Eis, Gletscher, Permafrost)

Die Klimatologie umfasst also nicht bloß die Vorgänge in der Atmosphäre der Erde, wenn gleich hier der Schwerpunkt liegt. Analog zu den meteorologischen Größen werden nachfolgende Klimaelemente definiert:

• Lufttemperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Luftdruck
• Wind
• Niederschlag
• Sicht
• Bewölkung
• Sonnenscheindauer

Ebenfalls analog wie in der Meteorologie werden physikalische Differenzialgleichungen für Impuls-, Energie- und Massenerhaltung zur Vereinfachung für diskrete Gitterpunkte gelöst, um die zukünftige Entwicklung des Klimas zu berechnen. Für die globalen Klimamodelle werden Gitternetzabstände von etwa 100 km festgelegt. Lokale Klimamodelle können kleinere Gitternetzabstände haben.

Die Klimavorhersagen werden aus den Anfangsbedingungen (den heutigen Werten für die Klimaelemente) berechnet. Des Weiteren werden bestimmte Werte als Randbedingungen festgelegt und so Klimaprojektionen in die Zukunft erstellt. Ausgehend von den heutigen Anfangsbedingungen und den sich aus der heutigen Situation ergebenen Randbedingungen, sagen die verschiedenen Klimamodelle einen Temperaturanstieg von 1,5 bis 4,5 °C, bei einer Häufung von 3,0°C voraus. Bereits in den letzten 100 Jahren ist die mittlere Temperatur der Erde um etwa 1°C von 14°C auf 15°C gestiegen. Allein bis zum Jahr 2030 können weitere 0,5°C dazu kommen.

Für die Klimaschwankungen sind sowohl exterrestrische und als auch terrestrische Einflüsse verantwortlich. Zu den exterrestrischen Einflüssen gehören: Die Solarkonstante (langfristige Variationen der Sonneneinstrahlung), kurzfristige Änderungen der Solarkonstanten aufgrund der Entwicklung der Sonnenaktivität, die Rotation der Galaxis mit unserem Sonnensystem und die Gezeiten (sowohl durch den Mond als auch durch die Sonne und die anderen Planeten). Die terrestrischen Einflüsse umfassen: die Kontinentaldrift, die Orogenese (Gebirgsbildung), den Vulkanismus, großflächige Brände (z.B. Waldbrände), die Zusammensetzung der Atmosphäre einschließlich der Bewölkung und die Zirkulation der Atmosphäre, Salzgehalt des Ozeans, Zirkulation des Ozeans, Eis- und Schneebedeckung, Vegetation und Autovariationen im Klimasystem.

Sowohl exterrestrischer als auch terrestrischer Natur sind Veränderungen der Erdbahnparameter. Die Erdbahn ist leicht elliptisch. Die Form der Ellipse ist Veränderungen unterworfen. Auch die Stellung der Rotationsachse der Erde ist Veränderungen unterworfen. So dürften Eis- und Warmzeiten auf der Erde ihre Ursache in der Änderung der Erdbahnparameter haben. Dies führt zu einer Änderung der Sonneneinstrahlung mit entsprechenden Rückkopplungseffekten. Verringert sich die Einstrahlung, so wird es kälter auf der Erde und die Eisflächen nehmen zu. Aufgrund der Zunahme der Eisflächen wird auch mehr Sonnenstrahlung in den Weltraum reflektiert, so dass die Temperatur zusätzlich sinkt.

Einen wichtigen Beitrag zum Klima liefert der sogenannte Treibhauseffekt. Kurzwellige elektromagnetische Sonnenstrahlung (Ultraviolette Strahlung) erreicht die Erdoberfläche, welche wiederum von dieser als langwelligere elektromagnetische Strahlung (Infrarotstrahlung) emittiert wird. Die Infrarotstrahlung wird von den sogenannten Treibhausgasen Wasserdampf (60 % Anteil am Treibhauseffekt), Kohlenstoffdioxid (26 %), Ozon (kleiner als 8 %), Lachgas (4 %) und Methan (2 %) absorbiert und wieder zur Erdoberfläche zurück emittiert. In Folge steigt die Temperatur. Aufgrund des natürlichen Treibhauseffektes liegt die mittlere Erdtemperatur bei +14°C und nicht bei -18°C. Während der natürliche Treibhauseffekt erst die für das Leben auf der Erde geeigneten Temperaturen ermöglicht, bewirkt der zusätzliche durch die Menschen verursachte anthropogene Treibhauseffekt einen unkontrollierten Anstieg der mittleren Erdtemperatur.

Für den anthropogenen Klimawandel ist das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO₂) maßgeblich verantwortlich. In den letzten 10.000 Jahren schwankte der CO₂-Anteil in der Atmosphäre zwischen 180 und 300 ppm (0,018 und 0,03 Prozent). Im Mai 2020 lag der Wert bei 418 ppm (0,0418 Prozent). Dieser nachweislich von Menschen verursache Anstieg vollzieht sich etwa 100-mal schneller als ein natürlicher Anstieg, so dass sich das Klimasystem nicht darauf einstellen und es zu erheblichen Rückkopplungseffekten kommen kann. Diese äußern sich durch eine Zunahme von extremen Wetterereignissen (z.B. intensive Hitzeperioden, Starkregenereignisse). So lag der Anstieg des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre in den 1970er Jahren bei 0,7 ppm pro Jahr, in den 1980er Jahren bei 1,6 ppm pro Jahr und in den 2010er Jahren bei 2,2 ppm pro Jahr.

Die relativ schnelle Zunahme des Anteils von CO₂ in der Atmosphäre der Erde ist nachweislich ursächlich für den Anstieg der mittleren Erdtemperatur. Weder die Sonneneinstrahlung noch die Erdbahnparameter haben sich wesentlich geändert. Die Sonneneinstrahlung ist sogar leicht zurückgegangen. Erst im Verlauf von Jahrmillionen wird die Sonnenstrahlung deutlich zunehmen.

Die zunehmende Erdtemperatur führt auch zu einem Anstieg des Meeresspiegels. Wobei hierbei der Anteil der schmelzenden Eisflächen (Antarktis, Gebirgsgletscher, Grönland) bei 43 Prozent liegt. Den größeren Anteil macht mit 57 Prozent die thermische Ausdehnung des Wassers aus. Stoffe dehnen sich mit zunehmender Erwärmung aus, so auch das Wasser. Durch Satelliten können der Anstieg und die Anstiegsrate direkt gemessen werden. Im 20. Jahrhundert lag die Anstiegsrate bei 1,5 mm pro Jahr. Aktuell liegt die Anstiegsrate bei 3,5 mm pro Jahr, Tendenz steigend.

Der anthropogene Klimawandel ist wissenschaftlich erwiesen und stellt eine zunehmende Gefahr für die menschliche Gesellschaft dar. Es müssen zeitnah geeignete Gegenmaßnahme ergriffen werden, welche für die Gesellschaft eine große Herausforderung darstellen werden.