在实验室一定的控制条件下模拟自然界的气候状况，以及根据控制气候及其变化的基本物理定律，建立起相应的数学模式，在一定的初始条件和边界条件下进行数值计算，求得气候及其变化的图像(见大气运动模型实验、大气运动数值试验)。由于气候现象非常复杂，实验室模拟有很大的局限性。随着计算机和数值计算方法的发展，数值模拟已经成为定量研究气候及其变化的主要方法。

气候模拟的雏型是20世纪50年代开始应用的。从60年代以后，各种形式的数值模式纷纷出现，如直接积分流体力学和热力学方程组的大气环流模式，根据能量平衡原理模拟大气热状况的能量平衡模式，还有把大气运动当作随机过程处理的随机模式和随机、动力相结合的模式等。模式由简单到复杂，由模拟气候的平衡态发展到对气候演变过程的模拟。从70年代以来，气候模拟的研究取得了初步的试验结果。例如由模式计算出的大气和海洋主要气候要素的分布及其季节变化，与实况相比，在许多方面是基本一致的。在人类活动对气候的影响的估计和极冰的反馈作用等方面(见反射率、极地气象学)，也得出了有意义的结果。此外，还发展了气候对各类模式和各种因子变化反应的敏感性试验和次网格物理过程(比通常的大尺度过程小的对流过程等)的参数化研究(见数值天气预报)。但是，这些模式对复杂的气候过程的物理考虑及其对各种因子的参数化方案均不成熟，因此在很大程度上影响着结果的可信度。这些模式在计算方法上也还有一定的困难。例如，气候模拟的计算需要足够长的积分时间，这就要求在这样的时间内保持计算上的稳定性，以便能够保留所需要的长期信息。

气候模拟的发展说明，它是研究气候变化规律的有力的实验手段。更合理、更客观的气候模式，可用于研究各种因子在不同时间尺度的气候变化中的作用，预测人类活动对气候的可能影响，为大范围气候改造和控制提出一定依据;也可研究在一定条件下气候变化的可能趋向，为气候预报提供依据。