农业气象学的研究方法可分为资料获得、资料处理和资料分析三个方面。资料获得的方法是整个研究工作的基础，所获资料的准确性与科学性对预期的研究结果有决定性的作用。资料获得的方法主要有：①调查考察法，又可分直接调查考察法、物候学法、自然播种法等。②田间试验法，又可分为简易对比法、分期播种法、地理播种法、地理分期播种法、地理移植法等。③农业气象条件人工模拟法，又可分为人工气候室（箱、箱群）法、简易农业气象条件人工模拟法（例如采用暗室、温室）等；④遥感法。这些方法可单独使用，也可结合使用（见农业气象研究方法）。

资料处理的方法，主要包括资料的审核和订正、数学处理，如滑动平均、标准化等。资料分析的方法因研究目的和资料的情况而有不同。主要有统计学法、数值模拟法、系统分析法、模糊聚类法等，一般多采用遵守平行分析的原则。

农业气象学研究方法最初借用农学、气象学所采用的方法收集和处理资料，分析解决农业气象问题，后来在生产实践中，逐渐形成自己的研究方法。现在常按不同问题，综合采取气象学、农学以及数学、地理学、植物生理学、生态学等的研究方法，且与其他许多学科的协同研究日益发展。60年代以来许多学者从事植被与大气间相互作用的测定和分析，农业气象学家分析、研究气象如何影响产量；微气象学家研究近地面大气层的气象要素时、空变化的模式；生理、生态学家测定、研究决定植物生长发育速度的作用（如光合、光呼吸等），探讨这些作用与环境状态的联系及其模式。近年来一些微气象学家和生态学家共同工作，把物理学的和生物学的方法结合起来，对基本机制进行深入研究。这类多学科研究的发展，使农业气象研究工作者开阔了眼界，有利于提高专业水平。

农业气象学研究的目标，只有在农学家与气象学家之间、农业部门与气象部门之间充分合作才能达到。