Erdbeobachtung sowie die Interpretation von Daten mit numerischen Modellen sind zwei der Eckpfeiler der Klimaforschung. Das DLR nutzt Erdbeobachtung von Satelliten, Forschungsflugzeugen und vom Boden aus für die Erforschung von Atmosphäre, Wetter und Klima. Die aktuellen Herausforderungen der Atmosphären- und Klimaforschung wurden mit dem DLR als Co-Autor im ESA Living Planet Programme, in den aktuellen Berichten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007), im wissenschaftlichen Sachstandsbericht der UNEP/WMO zum Ozonabbau(2006) und im Welt-Wetter-Forschungsprogramm THORPEX formuliert.
Das DLR widmet sich den wissenschaftlichen Herausforderungen, insbesondere der Rolle der Wolken im Klimasystem sowie der Klima-Chemie-Wechselwirkung, teilweise in Kooperation mit dem Helmholtz-Programm „Erde und Umwelt“. Von 2009 an wird das neue Forschungsflugzeug HALO einen neuen Zugang zu diesen Themen schaffen, für Test und Validierung von Satellitenmissionen und für die Atmosphärenforschung im Allgemeinen.