引起天气变化的大气环流现有的状态是如何形成的，又是如何维持的？这是四五十年代气象科学中一个热门课题。当时气象学家Starr和他的研究组的研究指出，要维持大气中的角动量平衡，大气的扰动（槽脊、高压、低压等）起着主要作用，同时长波槽线和脊线必需是自东北向西南倾斜的。叶笃正的研究指出，在大气环流中不仅角动量要平衡，涡度也要平衡。这样，长波槽线和脊线不仅要倾斜，而且要呈螺旋形，这更符合客观实际。
当时在大气环流状态如何维持的争论中有两种观点，一个焦点是：认为在全球角动量平衡维持机制中，除大气扰动（槽、脊）外，低纬度的Hadley环流也是重要的；另一个观点则认为后者不重要，甚至怀疑Hadley环流的存在。对此，著名科学家Riehl和叶笃正用大量的实测资料首次证明了Hadley环流的存在，从而解决了这个争论。
50年代初叶笃正和陶诗言等一起提出东亚和北美环流在过渡季节（春、秋季）有急聚变化的现象，因此得出这两个地区的大气环流的年变化是有阶段性的，而不是由夏到冬或由冬到夏逐渐变化的，这个现象对天气预报有重要意义。这个结果发表后，在国内外引起了广泛的研究。近年来国内外的数值试验也证实了这种突变。
1958年他和朱抱真出版《大气环流的若干基本问题》一书，全面地概括了大气环流的主要事实，并对这些事实的本质和它们的相互关系，以内在统一的观点作了理论探讨。它是深入认识大气环流的演变过程和维持机制的重要著作之一，受到国内外气象界推崇，被译为俄文本。
我国青藏高原位于26°～40°N，70°～104°E的地方，平均海拔高度为4～5km。青藏高原有特殊的天气和气候规律，弄清这个规律对东亚大气环流甚至整个北半球大气环流都有深远意义。50年代以前，青藏高原研究中一般都着眼于高原的动力强迫作用。50年代初期，叶笃正与气候学家Flohn各自指出了青藏高原在夏季是一个热源，叶笃正还指出冬季高原是个冷源，并研究了该热源对东亚环流的影响。之后，他对这个热源的影响进行了深入研究。从此国际上都接受高原（以及其它大地形）热源影响的概念。
叶笃正首先发现沿着青藏高原南侧、经长江下游至日本存在着一支高空西风急流，称之为南支急流，这急流对我国天气有重大影响，并指出这支急流与高原北支急流汇合成为北半球最强大的急流，严重地影响着东亚天气。这一发现引起了国内外学者的广泛注意，由此引出了对这两支急流的一系列的研究工作。70年代，他利用当时很少的观测资料，对青藏高原热力状况、环流状况、高原上对流系统的作用、青藏高原在全球环流中的重要性、青藏高原大型垂直流场等问题进行了大量的研究，指出在夏季从高原上升的气流可以在遥远的地区下沉，导致高原与遥远的地区有重要的遥相关作用。此外，他还对高原上夏季强对流小系统与大天气系统的非线性相互作用进行了深入研究，并指出在夏季高原上空的小尺度对流活动对高原上的高空大尺度环流的维持起着主要作用。他还和其他同志用大型转盘装置对青藏高原的影响进行了流体力学模拟试验，发现了不少有意义的现象。50年代他与其他同志合作写出的《西藏高原气象学》一书，是当时国内外唯一的西藏高原气象学专著。1979年他又与高由禧等合作完成了专著《青藏高原气象学》，全面系统地总结了国内外关于这一领域的成果。