气候系统研究所主要从事全球变化研究领域中气候与环境变化机理和预测理论的基础和应用基础研究，以及针对气象业务现代化建设中急需解决的检测和监测技术问题开展应用性研究。该研究所的研究方向为：

（1）气候系统监测研究；

（2）气候与环境变化中的物理化学过程研究；

（3）气候系统多圈层相互作用；

（4）中高层大气物理化学过程；

此外，该研究所拥有中国气象局大气化学重点实验室。

目前，该研究所牵头承担了国家重大基础研究项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”和国家基金委重大项目“长江三角洲低层大气物理化学过程及其与生态系统的相互作用”。

研究所有一支科研能力强的研究和野外观测队伍，目前研究所在职人员35人，其中科学院院士1人，博士生导师2人，研究员7人，副研究员14人，具有博士学位的15人。在新世纪，研究所职工倍加努力，使该所科研业务工作更大发展。2003年该所共计发表科研论文61篇，其中在国内外SCI期刊上发表论文25篇。