物理学家利用流体方程式、化学模型，并研究辐射收支以及大气中的能量转换（包含与其它系统间的关联，例如海洋），建立起地球及其他星球的大气模型。为了要建立起天气模型，大气物理学家使用一些与物理相关的数学理论，包含散射理论、波传递的模型、云物理学、统计物理学和空间分析。大气物理学不仅与气象学和气候学有紧密关系，更包含了研究大气所需要仪器的设计和制造，以及其数据的分析，像是遥测。在太空时代的来临及探空火箭的诞生后，高层大气物理学成为大气物理学的一个分支学科，主要研究高层大气分子的解离和游离。