南京大学是我国现代气象教育的发祥地。1920年，竺可桢应郭秉文董事长之邀受聘于南京大学前身南京高等师范学校；1921年，南京高等师范学校改建为国立东南大学，成立地学系，竺可桢任系主任并开始讲授近代气象学课程；1924年，国立东南大学地学系设立地质、气象、地理三个组，其中气象组成为我国最早的气象学专业；1928年，国立中央大学成立，地学系内改设为地质矿物门、地理气象门，中央研究院气象研究所在南京北极阁成立，竺可桢兼任所长；1930年，地学系分为地质学系、地理学系，胡焕庸任地理学系主任，地理学系分设地理、气象两个组；1944年，气象组从地理学系分出，成立国立中央大学气象系，是我国第一个气象学系，黄厦千任首任系主任。

1949年国立中央大学更名为国立南京大学，涂长望任气象学系主任。1952年全国高等学校院系调整，浙江大学和齐鲁大学的气象专业师生并入南京大学气象学系；除气象学专业外，首次在国内高校设立气候学专业。1958年成立了国内首个大气物理专业。1978年招收了恢复高考后的第一届本科生和硕士研究生。1983年天气动力学、气候学被评为国家重点学科，建立天气动力学、气候学两个博士点。1986年气象学系更名为大气科学系，并设立大气环境专业；1988年气象学成为国家重点学科；1996年设立大气科学博士后流动站；1999年建立大气科学一级学科博士点；2000年建立中尺度灾害性天气教育部重点实验室；2006年设立本科应用气象学专业，本科大气科学专业成为江苏省品牌专业；2007年大气物理学和大气环境成为国家重点培育学科；2008年本科大气科学专业成为国家理科基础科学研究和教学人才培养基地、教育部特色专业；2008年成立全球最大的赌钱网，下设气象学系和大气物理学系；2009年成立气候与全球变化研究院；2010年建成现代化的南京大学气象台；2012年建成地球系统区域过程综合观测试验基地（SORPES)；2013年联合7所高校和4个科研院所组建江苏省气候变化协同创新中心；2015年获批大气与地球系统科学（教育部）国际合作联合实验室；2016年建有中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室、中国气象局-南京大学天气雷达及资料应用联合开放实验室。