气候数值模拟可以概括为在实验室里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。气候主要与相当长时间的现象有关，从几年到十几年或者更长的时间。描述一个时期的气候涉及对适当的天气要素在该时段内进行平均（例如温度和降水），同时还要加上这些变量的统计变化。在考虑人类活动，例如化石燃料等对气候的影响时，必须对几十年乃至1～2个世纪时段内的气候提前作出预测。由于我们生活在大气中，因此通常用于描述气候的量的指标主要是与大气有关的量，但是气候不能光用大气的量来描述。大气过程是紧密地与海洋联系的，同时它们也与陆面相互作用耦合，大气还同地球的其他部分耦合在一起，例如被冰覆盖的部分（冰雪圈）、植被及陆地和海洋中的其他生物系统（生物圈），这5个分量——大气、海洋、陆地、冰雪圈和生物圈一起组成了整个气候系统。
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。
气候数值模拟的雏型是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境模式，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，气候数值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，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物理因子变化的敏感性试验和次网格物理过程的参数化研究。
通过建立起气候数值模式，并将其对照当前和过去的气候进行验证，它就可以被用于预测未来气候，特别是用于预测由于温室气体浓度增加所造成的气候变化。近10年来气候数值模拟的结果才发展得较为全面和可信；只在最近5年，计算机才强大到足以使海气耦合模式能被用于气候预测。更合理、更客观的气候数值模式，可用于研究各种因子在不同时间尺度气候变化中所起的作用，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供依据；也可研究在一定条件下气候变化的可能趋势，为气候预报提供依据。