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

• Глобальные и региональные изменения современного климата.
• Климатические условия и ресурсы субъектов Российской Федерации.
• Циркуляция и энергетика атмосферы
• Климат и состояние воздушного бассейна города Казани и Республики Татарстан.

В последние десятилетия ХХ 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 - 2019 гг.). Результаты исследований опубликованы в многочисленных монографиях и научных статьях сотрудников кафедры и обсерватории, докладывались на престижных научных конференциях в том числе на Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003), на Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (Москва, 2007), на Международной научной конференции «Глобальные и региональные изменения климата» (Киев, 2010), съездах Русского географического общества (1990 – 2010), на Международной конференции "Исследование изменений климата с использованием методов классификации режимов циркуляции атмосферы" (2016), на Международном научно-промышленном форуме "Великие реки"(2017), Межднародная кконференци по реанализу (5th International Conference on Reanalysis (ICR5) (2017)), на Всероссийской научно-практической конференции "Современные тенденции и перспективы развития гидрометеорологии в России" Иркутск (2018), на Международной конференции International conference and Early Career Scientists School on Environmental Observations, Modeling and Information Systems (2018), на Пятнадцатой сессии Климатического форума стран СНГ по сезонным прогнозам (СЕАКОФ-15), на Международном Симпозиуме по Атмосферной Радиации и Динамике (МСАРД-2019) 

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 явились 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: «Климат Казани и его изменения в современный период» (2006), «Климатические условия и ресурсы Республики Татарстан» (2008), «Климатические условия и ресурсы Ульяновской области» (2008), «Климатические условия и ресурсы Республики Удмуртия» (2009), «Климатический мониторинг Кировской области» (2012), «Климат и окружающая среда Приволжского федерального округа» (2013), «Динамика тропосферы и стратосферы в умеренных широтах Северного полушария и современные изменения климата в Приволжском федеральном округе» (2017). Материалы по климату Казани и региона в целом, представлены также  в первом атласе Республики Татарстан (2005), атласе «Тартарика» (2005), Энциклопедии РТ (2002 - 2010), в монографии «Экология города Казани» (2005). Работы сотрудников кафедры, посвященные климату, всегда пользовались популярностью и часто признавались лучшими на всесоюзных (1979, 1981) и многих университетских конкурсах.