纵观大气科学的发展历史，大体上可分为四个发展时期：气象经验、知识的积累时期；大气科学开始建立的时期；大气科学主要分支的形成时期；大气科学迅速发展的时期。

古代气象知识的积累时期(自人类文明开始至16世纪)

　　自人类文明史开始至十六世纪的五、六千年，为古代气象知识的积累时期。其源流主要有两个：一个在亚洲，以中国和印度为主；一个在地中海东部，欧亚非三洲的交汇地带，即埃及文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地。

　　中国有关气象知识的记载，可追溯到公元前14世纪的殷代，如在甲骨卜辞中就发现了殷代文丁六年(公元前1217年)三月中旬连续10天的气象记录。其后，诸如天气现象和气候情况、天气谚语和天气经验、各种天气现象成因的探索、有关二十四节气和七十二候的论说，以及观测仪器的设计等在中国的史料中也都有极丰富的记载。它们反映了中国的先民们在气象经验知识的积累时期的卓越贡献。

　　从考古发掘出的巴比伦兴盛时期(公元前3000～前300年)的粘土片上发现有许多天气谚语。这些谚语用现代语言表述，有“月有黑晕，本月阴雨”“云变黑，有风来”等。此外，还有关于八个方位风的记载。

　　在古希腊，阿那克西曼德在一篇关于自然哲学的文章中，提出风是“空气的流动”，并认为组成世界的基本元素是空气。巴门尼德约在公元前500年，根据所接受的太阳热量的多少，把气候分为无冬区、中间区和无夏区，这是迄今所见记载最早的气候分类。

　　阿那克萨哥拉观察并解释了夏天产生冰雹的原因，他认为，夏天被晒热的地面可以使含有水汽的云上升到能冻结的高度，形成雹，然后降到地面。他还观察到了空气温度是随高度的增加而下降的现象，认为这是由于被地表反射的阳光强度随高度的增加而降低的缘故。在尚无温度和辐射观测仪器的古代，能推论出温度随高度的变化的规律，是很可贵的。

　　德谟克利特在研究了尼罗河的年际泛滥之后指出，地中海季风是造成河水泛滥的原因。他认为在夏至时北方的冰雪融化，其水汽形成云，受地中海季风作用向南飘到埃及，因而引起风暴。他还研究了雷和闪电，认为雷和闪电是同时发生的，只是因为看到的比听到的快，人们才觉得它们是分开的。

　　希波克拉底则在《论至气、水和环境》中探讨了不同气候对人体健康的影响，并研究了某些特定风向和疾病流行的关系。欧多克索斯编著了论文《恶劣天气之预测》，详细讨论了恶劣天气的预测问题和有关天气现象发生的周期性问题。

　　古希腊学者亚里士多德将他以前的各种气象知识作了系统的综合，大约在公元前340年写了《气象汇论》一书。这是世界上最早的气象学专著。《气象汇论》共四卷42集。第一卷阐述气象学在自然科学中的地位及其研究对象和范围，云、雨、雹和霾的形成，高层大气的现象，以及气候变化等；第二卷谈到风的成因、分布、各种风的名称和特点，以及雷电现象等；第三卷中论及飓风、焚风以及晕和虹等大气光象 ，第四卷主要是有关化学的内容。

　　公元前300年，亚里士多德的学生提奥弗拉斯图斯写了《天气迹兆》一书，书中收集了大量的天气谚语，如“冬季雨多、春季干旱，冬季干旱、春季湿润”“牛舔前蹄狗打滚，将有暴风雨来临”，“月亮清亮、本月微风，月壳暗淡、潮湿多雨”“日出红天必有雨”等，它是欧洲留存最早的一本天气谚语专辑。

　　约在公元二世纪，古希腊天文学家托勒密根据新月、满月和弦月前后三天的月面清淡、红淡、暗淡等现象来预报天气。他还将气候从赤道到北极划分为二十四个气候带。阿拉伯学者海桑的主要著作《光象理论》，给出了曙暮光的正确定义，证明了太阳在地平线到地平线下19°之间时可见曙暮光，并利用这个结果和几何学的证明，得出大气的最大高度约95公里的结论。

　　英国的圣比德，被称为英国气象学的奠基人，他在公元703年著的《自然本质》一书，描述了大气、风、雷、闪电、云和雪等。他认为风是“扰动的空气如扇子造成的空气运动”“空气中孕育的风使云碰撞产生雷”。英国教士阿德拉德则认为雷是云中的冰碰撞破碎形成的，英国学者培根在《大气现象》一书中强调了科学实验和观测的重要性。

　　从人类文明开始到16世纪，人类对于大气科学的知识正逐步由少到多，由浅入深地积累起来。但为当时生产力和科学水平所限，知识还是零碎的、片面的，有许多仅是推测性的，尚未被观测事实所证明，有的甚至是错误的，因此还不能形成系统的大气科学。