1 сентября 1918 года Высшие географические курсы были преобразованы в Географический институт при Народном комитете просвещения. Это было первое в России и мире учебное заведение, которое состояло из 16 кафедр. Среди них была кафедра метеорологии и климатологии, возглавлял которую профессор А. В. Вознесенский, один из крупнейших климатологов России того времени. Он читал лекции по общей климатологии, профессор П. И. Броунов (основоположник агрометеорологии в России) читал курс метеорологии, а профессор А. А. Каминский -  лекции по климатографии. Перед кафедрой стояла задача подготовка специалистов для исследования природных закономерностей. В 1925 году Географический институт вошёл в состав Ленинградского университета. Кафедра метеорологии и климатологии была переименована в кафедру климатологии, на которой готовили специалистов-климатологов. Профессор А. В. Вознесенский продолжал руководить этой кафедрой.

Для подготовки студентов-климатологов к научной работе их направляли на производственную практику в научно-исследовательские институты, в частности, в отделе сельскохозяйственной метеорологии Государственного института опытной агрономии, который возглавлял А. В. Вознесенский. Одни из первых выпускниц кафедры И. А. Гольцберг и С. А. Сапожникова стали впоследствии профессорами, известными учёными в области сельскохозяйственной метеорологии и микроклиматологии.

После ухода с кафедры А. В. Вознесенского, в 1932 году профессор А. А. Каминский стал заведующим кафедрой. Научные работы А. А. Каминского в области влагооборота, засух и суховеев был широко известны в России и за рубежом. А. А. Каминский организовал работу кафедры на научно-учебной базе в Саблино. Сотрудники кафедры с участием аспирантов (А. А. Борисов, С. А. Сапожникова) и студентов также широко привлекались к исследованиям разных аспектов метеорогического режима России от выяснения вопросов акклиматизации отдельных сельскохозяйственных культур в Хибинах до колебаний уровня Каспийского моря за последнее тысячелетие. Активное участие студентов в экспедиционных исследованиях в летний период потребовало разработать особый учебный план по сравнению с другими факультетами университета – за счёт некоторого сокращения продолжительности первого и второго семестров создать третий семестр. Во время производственной практики студенты собирали материал для решения актуальных задач. Результаты курсовых и дипломных работ нередко публиковались в изданиях университета или других научных журналах.

После смерти А. А. Каминского в 1938 году для заведование кафедрой был приглашён известный метеоролог В. Н. Оболенский. До сих пор хорошо известен его прекрасный учебник «Курс метеорологии». В. Н. Оболенский считал, что подготовка климатологов должна проводиться на физико-математической основе. Для преподавания на кафедре приглашались известные ученые: научный сотрудник Главной геофизической обсерватории О. А. Дроздов (курс «Климатология»), Е. С. Рубинштейн (курс «Методы климатической обработки метеорологических наблюдений»), Б. И. Извеков (курс «Динамическая метеорология») и другие. В 1938-1939 г.г. был разработан новый учебный план по подготовке высококвалифицированных метеорологов-исследователей. Новый учебный план предусматривал специализации: синоптика, климатология, аэрология, экспериментальная и теоретическая метеорология. Особое внимание уделялось как физико-математической подготовке, так и были географические дисциплины. Этот план не удалось осуществить в связи с началом Великой отечественной войны. Был осуществлён ускоренный выпуск студентов не только 5, но и 4 курса. Многие выпускники и студенты кафедры ушли на фронт, работали в военных гидрометеорологических учреждениях по обслуживанию фронта.

В начале 1942 года университет был эвакуирован. В. Н. Оболенский был эвакуирован в город Киров, где вскоре скончался. Со студентами кафедры в город Саратов эвакуировался только один метеоролог – сотрудник кафедры физики атмосферы ассистент Б. П. Кароль. Она была переведена на географический факультет. Благодаря её работе сохранились традиции кафедры в трудных условиях эвакуации. За два года эвакуации кафедру закончили 5 студентов. В конце войны (1944 г.) факультет вернулся в Ленинград, как и ряд других учреждений. Организационная работа по возобновлению занятий на кафедре была проведена Б. П. Кароль. Для чтения лекций она приглашала ведущих метеорологов и климатологов Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова.

В 1946 году для заведования кафедрой был приглашен С. П. Хромов. Он был основоположником работ, связывающих географическое, синоптические и климатологические методы исследований климата. Для восстановления традиций кафедры были приглашены выпускники кафедры А. А. Борисов, А. Ф. Захарова. Сотрудники кафедры участвовали в работах по восстановлению и развитию хозяйства страны в контакте с АН СССР и другими учреждениями. Можно отметить работы по созданию рациональной системы земледелия в Карелии, так как старая система осушения себя не оправдала, исследования в Молдавии, Крыму, Закарпатье, Азербайджане для оценки микроклиматических условий предполагаемого разведения чайного листа. Стали развиваться работы по горной климатологии страны, и гляциометеорологические исследования. Эти работы, выполнявшиеся под руководством О. А. Дроздова, а затем П. П. Арапова, стали традиционным направлением научных исследований кафедры, которые продолжаются и в настоящее время. Ежегодные экспедиционные исследования проводились на горных и покровных ледниках, расположенных в горах Памира, Памиро-Алая, Тянь-Шаня).

После перехода С. П. Хромова в МГУ с 1954 г. кафедру возглавил выдающийся климатолог России О. А. Дроздов, человек энциклопедических знаний в географии, гидрометеорологии и смежных науках. Круг его интересов простирался от организации экспедиционных исследований до значительных географических обобщений закономерностей формирования климата Земли, влагооборота, изменений и колебаний климата, теории и практики обработки информации. Им в соавторстве с сотрудниками, было опубликовано более 300 научных работ, из них 12 монографий и учебников, некоторые из них переведены на английский, немецкий и китайский языки В эти годы приглашались преподавать на кафедре известные ученые-метеорологи и климатологи.

В связи с болезнью О. А. Дроздов попросил освободить его от должности заведующего кафедрой в 1989 г., предложив на эту должность профессора П. П. Арапова – выпускника кафедры, известного гляциометеоролога. Принимая во внимание особенности современного развития науки П. П. Арапов, в учебный план были включены ряд экологических дисциплин, а кафедра была переименована в кафедру климатологии и мониторинга окружающей среды. Это позволило кафедре создать новое направление, объединяющее географические, экологические и климатические исследования, актуальность которых будет расти. Продолжалась традиция кафедры приглашать видных специалистов в области метеорологии и климатологии. Совмещая научную и преподавательскую работу, сам П. П. Арапов в 2009 году принимал участие в экспедиции на Антарктиде.

В последние годы педагогическая и научная работа кафедры продолжалась под руководством П. Н. Священникова. Кроме традиционных гляциометеорологических исследований, сотрудники кафедры участвуют в выполнении научно-исследовательской работы по проблеме «Современные колебания и изменения климата». Публикуются монографии и статьи Выпускники кафедры продолжают её научные традиции, занимаясь научно-исследовательской и педагогической работой как в России, так и во многих странах мира.