Ilmastotieteilijä on yksilö, joka tutkii maapallon ilmakehää, joka on planeettaa ympäröivä kaasukerros ja joka on välttämätön kaiken maapallon elämän olemassaololle. Jotkut ilmakehän tutkijat voivat myös tutkia muiden planeettojen ilmakehää, mutta koska se on merkityksellistä ihmiselämälle, maapallon ilmakehä on paljon yleisempi tutkimuskohde. Ilmastotiede on itse asiassa hyvin laaja ala, joka kattaa monia muita aloja, joten ilmakehän tutkija voi olla meteorologi, ilmastotieteilijä, ilmakehän fyysikko tai mikä tahansa monenlainen muu tiedemies. Ilmastotieteiden varsinainen työ vaihtelee merkittävästi ja voi sisältää mitä tahansa sääennusteista tutkimuksiin, joilla pyritään estämään maan ilmakehän huononeminen.
Tunnetuin ja julkisin ilmakehäntutkijan rooli on meteorologian alalla. Meteorologi on ilmastotieteilijä, joka yleensä, mutta ei yksinomaan, keskittyy ilmakehän ilmiöihin, kuten säähän. Meteorologia on tunnettu ala, koska useimmat uutislähteet käyttävät meteorologeja sääennusteita varten, joten meteorologit nähdään yleisesti televisiossa. Hallitukset ja yritykset, jotka ovat riippuvaisia ilmakehän ilmiöistä tai perustuvat niihin, palkkaavat usein myös meteorologeja.
Maan ilmakehä ja muiden planeettojen ilmakehät koostuvat erilaisten kaasujen seoksista, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja ovat herkkiä monille erilaisille kemiallisille, magneettisille ja muille ärsykkeille. Sellaisenaan ilmakehän tutkija voi päättää työskennellä pääasiassa ilmakehän kemiana. Yksi erityisen tärkeä kohde ilmakehän kemiassa on ihmisen tekemien kemikaalien ja ilmakehän kaasujen välinen vuorovaikutus. Monet ihmisen toimilla syntyvät kaasut, kuten fossiilisten polttoaineiden tai jätteiden polttaminen, joko reagoivat ilmakehässä jo olevien kemikaalien kanssa tai niitä lisätään ilmakehään. Tämä voi vaikuttaa voimakkaasti maapalloon, koska tällaiset kemialliset muutokset ilmakehässä voivat aiheuttaa merkittävää ilmastonmuutosta.
Ilmastotieteilijä voi löytää työtä erilaisissa tieteellisissä, kaupallisissa tai teollisissa olosuhteissa. Uutisyritykset, lentokentät ja valtion virastot tarvitsevat usein yhden ilmastotieteilijän tai tällaisten tutkijoiden ryhmän sääennusteiden tekemistä varten. Ilmanlaadun tutkimiseen ja parantamiseen keskittyvät laboratoriot ja yritykset voivat palkata ilmastotieteilijän seuraamaan ilmanlaatua ja muita ilmakehän olosuhteita. Nämä ammattilaiset työskentelevät usein laboratorioissa tai toimistoissa tai voivat suorittaa kenttätyötä. Jotkut esimerkiksi lentävät hurrikaaneihin, tornadoihin ja muihin sääilmiöihin ja niiden ympärille mittaamaan ja keräämään tietoja.