大氣科學系之創始，可回溯至民國三十五年十二月於農藝系設置之「氣象研究室」。爾後，於民國四十四年八月，理學院成立地理學系，分設地理組與氣象組，後者即為本系之前身。在前系主任亢玉瑾教授的努力下，氣象組於民國六十一年七月獨立成為大氣科學系。

創系對本系日後的影響有二：第一，每年學生人數頓時從個位數增至30~40名，為國內大氣科學的日後發展注入一股生力軍；第二，前後數年之間，多位在美國接受完整的現代大氣科學訓練的學者陸續返國加入教授陣容。

大氣科學系的研究及教學方向，也從過去的傳統氣象學，拓廣為以天氣學、大氣動力學、數值天氣預報及空氣污染為重點；影響所及，不但大幅拓展了大氣科學教育的視野，也間接刺激了國內大氣科學研究的現代化。

創系之後的十年屬於緩慢成長的階段，教師陣容並無太明顯變化；直到民國七十一年大氣科學研究所成立之後，教師名額增加，本系再度進入快速擴張的階段。民國七十年代，臺灣經濟快速起飛，教學及研究環境均有長足的改善，中央氣象局業務也邁向現代化、電腦化的階段。這些因素吸引了將近十位學者返國加入教師陣容。同時，本系教師在國內大氣科學界的影響也日漸明顯；例如，蔡清彥等數位教授全力協助中央氣象局發展數值天氣預報系統，參與國內氣象預報業務現代化的工作。民國七十六年，針對產生豪雨的中尺度現象而設計的臺灣地區中尺度氣象實驗計劃(TAMEX)，由本系陳泰然教授主持，在全系教師和氣象界的全力投入之下 順利完成。

民國七十六年七月研究所博士班成立，本系終於得以提供由大學部到博士班的完整大氣科學教育訓練。此外，由於大氣環境領域之研究日漸受到重視，本系於民國七十八年將研究所碩士班分設為甲、乙二組，其中甲組主修大氣科學，乙組主修大氣環境；增設乙組除了可加強本系對於大氣環境領域之研究外，亦可提供非本科系大學畢業生另一繼續進修之管道，於九十一年再將碩士班之分組改為大氣科學系畢業者報考之甲組，及非大氣科學系畢業者報考之乙組。近年來，本系的教學與研究在軟、硬體方面皆有長足的進展。目前，本系專任教師有十七名（其中一位為合聘），博士班學生有二十五名，碩士班學生有四十四名，大學部學生約一百四十五名，是國內培養大氣科學人材的重鎮。