太阳辐射是大气运动的能源辐射过程，是地-气系统中能量交换的主要形式。因此，大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学和大气遥感等学科的理论基础之一。
从大气科学研究的初始阶段起，大气辐射学就受到人们的重视，并且历来被认为是气候和大气环流研究的基础。20世纪20年代，有人根据很简单的假定，计算了地-气系统的辐射收支；30年代提出了辐射传输的基本原理；1950年，美籍巴基斯坦学者昌德拉塞卡写了《辐射传输》一书，总结了他在恒星和行星大气辐射传输理论方面的主要工作，对辐射传输的理论和研究方法作出了重要贡献。
20世纪60年代，英国谷迪和前苏联孔德拉季耶夫等人在行星大气中的辐射传输方面，也作了许多工作，对大气辐射学的研究，起了一定的促进作用。电子计算机和红外分光技术的发展，使大气透过率的计算更加精确，气象卫星及其他探测手段的迅速发展和广泛应用，又获得了大量的全球范围的大气辐射资料，这些都更加促进了大气辐射学的发展。
大气辐射学主要研究地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括太阳的辐射（97%的能量在0.3～3微米波段内，辐射最强的波长在0.5微米附近），地-气系统辐射（绝大部分能量在4～80微米波段内，辐射最强波长在10微米附近），以及不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。
大气辐射学还要研究辐射传输方程的求解。辐射传输方程是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用（吸收、散射、发射等）而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。
另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-气系统辐射收支的角度，来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题的。
许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。
随着大气遥感技术的迅速发展，对红外辐射吸收带的研究和计算的要求很高；在辐射传输问题中，云（特别是卷云）的透过率变化很大，对辐射有很大的影响，也需要解决。这两方面都是大气辐射学今后研究发展的主要课题。
