縱觀大氣科學的發展歷史，大體上可分為四個發展時期：氣象經驗、知識的積累時期；大氣科學開始建立的時期；大氣科學主要分支的形成時期；大氣科學迅速發展的時期。

古代氣象知識的積累時期(自人類文明開始至16世紀)

　　自人類文明史開始至十六世紀的五、六千年，為古代氣象知識的積累時期。其源流主要有兩個：一個在亞洲，以中國和印度為主；一個在地中海東部，歐亞非三洲的交匯地帶，即埃及文化、巴比倫文化和希臘文化的發祥地。

　　中國有關氣象知識的記載，可追溯到公元前14世紀的殷代，如在甲骨卜辭中就發現了殷代文丁六年(公元前1217年)三月中旬連續10天的氣象記錄。其后，諸如天氣現象和氣候情況、天氣諺語和天氣經驗、各種天氣現象成因的探索、有關二十四節氣和七十二候的論說，以及觀測儀器的設計等在中國的史料中也都有極豐富的記載。它們反映了中國的先民們在氣象經驗知識的積累時期的卓越貢獻。

　　從考古發掘出的巴比倫興盛時期(公元前3000～前300年)的粘土片上發現有許多天氣諺語。這些諺語用現代語言表述，有“月有黑暈，本月陰雨”“云變黑，有風來”等。此外，還有關于八個方位風的記載。

　　在古希臘，阿那克西曼德在一篇關于自然哲學的文章中，提出風是“空氣的流動”，并認為組成世界的基本元素是空氣。巴門尼德約在公元前500年，根據所接受的太陽熱量的多少，把氣候分為無冬區、中間區和無夏區，這是迄今所見記載最早的氣候分類。

　　阿那克薩哥拉觀察并解釋了夏天產生冰雹的原因，他認為，夏天被曬熱的地面可以使含有水汽的云上升到能凍結的高度，形成雹，然后降到地面。他還觀察到了空氣溫度是隨高度的增加而下降的現象，認為這是由于被地表反射的陽光強度隨高度的增加而降低的緣故。在尚無溫度和輻射觀測儀器的古代，能推論出溫度隨高度的變化的規律，是很可貴的。

　　德謨克利特在研究了尼羅河的年際泛濫之后指出，地中海季風是造成河水泛濫的原因。他認為在夏至時北方的冰雪融化，其水汽形成云，受地中海季風作用向南飄到埃及，因而引起風暴。他還研究了雷和閃電，認為雷和閃電是同時發生的，只是因為看到的比聽到的快，人們才覺得它們是分開的。

　　希波克拉底則在《論至氣、水和環境》中探討了不同氣候對人體健康的影響，并研究了某些特定風向和疾病流行的關系。歐多克索斯編著了論文《惡劣天氣之預測》，詳細討論了惡劣天氣的預測問題和有關天氣現象發生的周期性問題。

　　古希臘學者亞里士多德將他以前的各種氣象知識作了系統的綜合，大約在公元前340年寫了《氣象匯論》一書。這是世界上最早的氣象學專著。《氣象匯論》共四卷42集。第一卷闡述氣象學在自然科學中的地位及其研究對象和范圍，云、雨、雹和霾的形成，高層大氣的現象，以及氣候變化等；第二卷談到風的成因、分布、各種風的名稱和特點，以及雷電現象等；第三卷中論及颶風、焚風以及暈和虹等大氣光象 ，第四卷主要是有關化學的內容。

　　公元前300年，亞里士多德的學生提奧弗拉斯圖斯寫了《天氣跡兆》一書，書中收集了大量的天氣諺語，如“冬季雨多、春季干旱，冬季干旱、春季濕潤”“牛舔前蹄狗打滾，將有暴風雨來臨”，“月亮清亮、本月微風，月殼暗淡、潮濕多雨”“日出紅天必有雨”等，它是歐洲留存最早的一本天氣諺語專輯。

　　約在公元二世紀，古希臘天文學家托勒密根據新月、滿月和弦月前后三天的月面清淡、紅淡、暗淡等現象來預報天氣。他還將氣候從赤道到北極劃分為二十四個氣候帶。阿拉伯學者海桑的主要著作《光象理論》，給出了曙暮光的正確定義，證明了太陽在地平線到地平線下19°之間時可見曙暮光，并利用這個結果和幾何學的證明，得出大氣的最大高度約95公里的結論。

　　英國的圣比德，被稱為英國氣象學的奠基人，他在公元703年著的《自然本質》一書，描述了大氣、風、雷、閃電、云和雪等。他認為風是“擾動的空氣如扇子造成的空氣運動”“空氣中孕育的風使云碰撞產生雷”。英國教士阿德拉德則認為雷是云中的冰碰撞破碎形成的，英國學者培根在《大氣現象》一書中強調了科學實驗和觀測的重要性。

　　從人類文明開始到16世紀，人類對于大氣科學的知識正逐步由少到多，由淺入深地積累起來。但為當時生產力和科學水平所限，知識還是零碎的、片面的，有許多僅是推測性的，尚未被觀測事實所證明，有的甚至是錯誤的，因此還不能形成系統的大氣科學。