大气热力学对干绝热过程的研究开始得最早，主要研究干空气的气块在运动过程中由于压缩和膨胀引起的温度变化，得到干绝热过程温度递减率。后来注重到水汽以及与之有关的凝聚和蒸发、凝固和溶解等过程对大气中热力过程的重要作用，又开始了对潮湿空气，非凡是饱和湿空气热力学的研究，得到了湿绝热过程温度递减率。建立了表征大气中水汽含量（包括各种湿度）的温湿特征以及虚温度的概念。研究了可逆凝聚和假绝热过程。还研究了成云致雹各个阶段的热力过程。

在大气热力学中，除研究由大气中水汽相变而引起的非绝热过程外，对于由辐射和湍流热量交换所引起的非绝热过程的研究也受到了重视（非凡是关于中长期天气过程和气候形成的问题）。

由于大气动力学的基本方程组中包括了气体状态方程和热力学第一定律，所以大气动力学和大气热力学之间有着密切的联系。