70年代后期，叶笃正十分关注全球气候变化问题，他参与世界气候研究计划（WCRP）的有关科学活动，并成为该计划的联合科学委员会委员。他积极组织并领导了我国气候研究，先后任中国气候研究委员会主任和名誉主任，并担任中国气象委员会副主任。他积极组织大气科学研究和观测的国际合作和国内关于气候变化的综合研究。他虽已年过七旬，但仍致力于气候形成和变化的研究，在揭示大范围积雪和降雨异常以及土壤湿度对大气环流后延反馈问题上作了很好的工作。
80年代中期国际上兴起了全球变化的研究。它是把地球和各个部分（气、水、冰雪、陆、生物）做为一个整体，研究其中各种过程的相互作用，从而进行包括气候在内的全球环境演变的研究。其最大特色之一就是把地球有生命的过程和无生命的过程有机的结合了起来；同时强调了人类活动对全球环境变化的作用。这项研究是迄今为止有关地球科学方面最大、最复杂的一项国际合作研究项目。从一开始叶笃正就积极参与了这项国际合作研究的规划，发挥了重要作用。他提出气候和植被过渡带是气候和环境变化的最敏感地区，如有变化，则应在这敏感的地区先开始。因此它应在全球变化研究中受到重视，这个观点被普遍地接受。1987年国际科学联盟理事会组织了为研究全球变化的国际地圈生物圈计划（IGBP）科学委员会，并任命叶笃正为委员。在国内，他积极组织全球变化的研究。1988年组织了（IGBP）中国委员会并任主席。在他的领导下，中国的全球变化的研究有了迅速的发展，受到国际上的极大重视。
在赵九章教授领导下，叶笃正与顾震潮、陶诗言等，于1950年筹建了中国科学院地球物理研究所气象研究室。1966年又参与创建了中国科学院大气物理研究所。1978年叶笃正任所长，1985年起任名誉所长。这个研究所现已达到几百人的规模。并从过去只从事天气和气候学的研究，发展到对大气科学几乎所有分支学科的研究，成为国际上瞩目的研究单位。几十年来，叶笃正和陶诗言、曾庆存等在这个研究所组织领导了一系列具有重大意义的研究课题，取得了大量科研成果，其中不少成果达到国际水平和国际领先地位。这个研究所已成为世界上享有声誉的研究所。
叶笃正不仅重视理论研究，而且重视实验和对实际资料的分析以及现场观测工作。他多年来一直十分关心我国气象事业的发展，尤其关心我国数值天气预报的研究和业务预报工作，在这方面他做了大量工作。他担任《气象学报》主编十余年，对提高该学报的质量和学术水平并使之进入国际先进水平做出了重要贡献。