Главным научным направлением кафедры является "Мониторинг, анализ и моделирование изменений глобального и регионального климата, циркуляционного и энергетического режима атмосферы" (руководитель - д.г.н., профессор Ю.П. Переведенцев). В рамках данного направления проводятся научные исследования в следующих областях:

• Глобальные и региональные изменения современного климата;
• Анализ климатических процессов на территории Российской Федерации;
• Циркуляция и энергетика атмосферы.

В последние десятилетия ХХ в. и в начале ХХI столетия кафедра основное внимание уделяла изучению особенностей атмосферной циркуляции и энергетических преобразований в тропо-стратосфере, крупномасштабного взаимодействия между слоями атмосферы. Большое внимание уделяется изучению современного глобального потепления климата и его региональных проявлений, экологического состояния воздушного бассейна (гранты РФФИ – 2000, 2009, 2012, 2016-2020 гг., грант РНФ - 2022 г.). Результаты исследований опубликованы в многочисленных монографиях и научных статьях сотрудников кафедры, а также докладывались на престижных всероссийских и международных научных конференциях.

Вместе с тем,  по инициативе кафедры был проведен ряд тематических всероссийских совещаний и конференций (1985, 2000, 2004, 2009). 200-летию начала регулярных метеорологических наблюдений и исследований в Казанском университете и 20-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии стран СНГ посвящена Международная научная конференция по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, 2012), организаторами которой служили Росгидромет и КФУ. В 2019 году на базе КФУ, по инициативе кафедры и института, было проведено Четвертое Совещание Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК).

К числу наиболее заметных публикаций монографического характера относятся: "Современные изменения климата в Среднем Поволжье (на примере Казани и Ульяновска)" (2005), "Климат Казани" (2005), "Климат Казани и его изменения в современный период" (2006), "Климатические условия и ресурсы Республики Татарстан" (2008), "Климатические условия и ресурсы Республики Удмуртия" (2009), "Современные изменения климатических условий и ресурсов Кировской области" (2010), "Климатический мониторинг Кировской области" (2012), "Климат и окружающая среда Приволжского федерального округа" (2013), "Теория общей циркуляции атмосферы" (2013), "Динамика тропосферы и стратосферы в умеренных широтах Северного полушария и современные изменения климата в Приволжском федеральном округе" (2017), "Современные региональные климатические изменения и их последствия" (2024).