1933年，竺可楨在《中國氣流之運行》一文中，分析了在1、4、7、10四個月中，我國地麵氣流和高空氣流的特點及四季變化，指出：製約我國氣流的四大中心是：西伯利亞高壓、印度低壓、北太平洋高壓和阿留申低壓，冬季風主要是受西伯利亞高壓製約下的氣流，夏季風則是在北太平洋高壓和印度低壓製約下的氣流。這是我國學者論述東亞大氣環流最早的文章，是我國季風氣候學最早的理論文章。
竺可楨的《東南季風與中國之雨量》是一篇內容豐富、立論嚴謹的早期經典性論文之一。該文提出了印度季風與東南亞季風的異同點，在氣候學上第一次指出他們在物理性質、致雨機製和成因上的差別，為季風氣候研究和長期天氣預報提供了重要基礎。在20世紀30年代資料稀少情況下所得出的結果，至今仍然正確，是很不容易的。
開創現代氣象研究
1928年初，竺可楨任氣象研究所籌備處主任。至1928年前，中國自己的氣象機構既寥寥無幾，又都奄奄一息，無所作為，在我國沿海、沿江的口岸及島嶼附設的幾十個氣象測報點都歸英帝國主義所控製，在上海、青島專設的氣象台全歸外人所有。外國人幾乎完全把持了我國的氣象事業。竺可楨對這種侵權行為極為憤慨，一心要建立和發展中國自己的氣象事業。因此他對籌建氣象研究所傾注了極大的熱情，對所址選定、建築布局、道路及引水工程，儀器設備和圖書購置，無不親自精心籌劃，在經費、人員嚴重不足的情況下艱苦經營，隻一年時間，一座器具國際先進設備的氣象台就被建成，矗立於北極閣之巔。其他，如地麵和高空觀測、日射觀測、空中電位觀測、物候觀測、微塵觀測、天氣預報、氣象廣播兼及地震測量等業務和研究工作，隨即相繼開展，1930年元旦起有了我國自己發布的天氣預報和台風警報。
為奠定我國氣象事業的基礎，竺可楨將推動建立我國自己的氣象台站網列作首位任務，於1928年提出了《全國設立氣象測候所計劃書》，而後堅持加以推行。為適應各地建立台站需要，竺可楨領導氣象研究所先後4次舉辦培訓班，並親自授課，培養了近百名業務骨幹；還編寫出版了《測候須知》、《國際雲圖節略》等多種業務指導用書；還以各種方式向各地積極提供幫助。經長期不懈努力，到抗日戰爭前夕，全國的測候所、雨量站已發展到三百餘處。在這進程中，竺可楨為整頓和統一全國氣象業務，曾擬出《全國氣象觀測實施規程》，通過政府頒令全國實施，還在1930至1937年間連續主持召開過3次全國氣象機關聯席會議，使我國氣象事業的發展逐步走向統一規範化的軌道。竺可楨還將氣象資料的整理、出版視為氣象事業的一項基礎工作，予以十分重視。他領導氣象研究所編纂了《中國之雨量》、《中國之溫度》等巨著，還將氣象資料按月、季、年定期出版，開展了經常性的氣象資料服務工作。
竺可楨投入巨大精力領導全所開展研究工作。他不但自己率先勤奮研究，又為本無研究任務、相當於助研、助理的業務人員積極創造條件，使他們也擔負部分研究任務，還經常舉行學術報告討論，使全所形成濃厚的學術氣氛，所以到1937年，他自己和其他人員以中英兩種文字發表的重要論文有二十多篇，他同國內外展開廣泛交流。他本人在中國氣候區劃（如《中國氣候概論》）、中國的季風（如《東南季風與中國之雨量》）、中國的大氣運行（如《中國氣流之運行》）、中國物候（如《論新月令》）、天氣預報（如《南京三千米高空之風向與天氣之預測》）等方麵都有開拓性的研究成果，也起到了學術帶頭人的作用。
組織多項綜合考察
建院初期，竺可楨副院長兼任生物、地學部主任，組建中國科學院綜合考察委員會。20世紀50年代初，建國伊始，百廢待興，摸清家底、掌握國情、把握第一手科學資料，是新中國建設的先行基礎性科學任務。綜考會凝聚全國高等院校和產業部門專家學者的智慧和力量，團結協作，並得到前蘇聯專家的支持，先後組建了治沙隊、黑龍江隊、新疆隊、青藏隊、南方隊和西南隊等10多個大型考察隊，對全國960萬平方公裏廣袤的國土，進行全麵有序的調查研究。竺可楨親自參加黃土高原的野外考察，在治沙隊赴寧夏野外考察時，險遭車禍。他在綜考會的領導工作，後來由土壤學家馬溶之院士、孫鴻烈副院長繼任，竺可楨一貫提倡學習徐霞客的精神，腳踏實地，求真務實。