Het KNMI doet experimenteel en theoretisch onderzoek naar de invloed van de mens op het klimaat. Ook wordt onderzoek verricht naar variaties en veranderingen in de ozonlaag, wat van grote betekenis is voor de hoeveelheid schadelijke ultraviolette straling die het aardoppervlak bereikt. Het waarnemen en analyseren van wolken, stralings- en uitwisselingsprocessen tussen land en de onderste duizend meter van de atmosfeer zijn belangrijke aspecten van onderzoek. In internationaal verband wordt oceanografisch onderzoek verricht naar golven en de ontwikkeling van modellen om golfhoogten en oceaanstromingen te voorspellen. De interactie tussen oceaan en atmosfeer en de rol van de oceanen in het klimaat zijn belangrijke facetten van het onderzoek. Daarnaast verricht het KNMI ook onderzoek naar seismologische aspecten, ofwel naar de bewegingen van de aardkorst.