自20世纪20年代起，竺可桢就开始关注和从事科学史研究，在天文学史、气象学史、地理学史及科学史的有关理论方面撰写了30多篇文章。他对整理和利用中国古代科学遗产非常重视，《百家争鸣和发掘我国古代科学遗产》、《中国近五千年来气候变迁的初步研究》、《中国古代的物候知识》等文章都是古为今用的范例。
在中国的科学史学科规划和组织建设方面，竺可桢是一位关键人物。1954年8月27日他在《人民日报》上发表题为《为什么要研究中国古代科学史》的文章，是科学史学科在中国步入建制化联合会的一个信号。1956年2月他主持召开专家座谈会，讨论制定科学史学科发展规划。
1956年9月，竺可桢率团出席在意大利佛罗伦萨举行的第8届国际科学史大会，使新中国在大会期间被接受为国际科学史学会的会员国，他本人于1961年当选为国际科学史研究院院士。在竺可桢的筹划与指导下，中国科学院于1957年1月1日成立了中国自然科学史研究室，以后发展成中国科学院自然科学史研究所。
为促进科学史研究在中国的发展，加强中国科学史家与国际同行的交流，同时纪念近代中国科学史事业的奠基人竺可桢，中国科学院自然科学史研究所自2001年起开始，专门设立了“竺可桢科学史讲席”，拟定日期邀请国际第一流的科学史家前来主持。
倡导科普
竺可桢毕生以极大热情从事科学史研究工作，其目的在于从我国浩瀚灿烂的文化遗产中发掘科学宝藏，古为今用，阐明中华民族在世界科学史上所占的地位，激发中华民族的自尊心；研究中外科学的交流，促进各国人民间的友好关系。在半个多世纪中，他在天文、气象、地理等科学史领域发表过三十多篇文章，不愧为科学史研究的倡导者和带头人。竺可桢的《论以岁差定（尚书·尧典）四仲中星之年代》一文，以现代科学方法整理分析古籍中的天文史资料，对原大家认为年代不可考，因而未必可信的四仲中星，得出了年代可考（3个都在殷末周初）的结论。历史学家徐炳昶读后曾表示：“欢喜赞叹，感未曾有！余以为必须如此才能配得上说是以科学的方法整理国故！”
1944年，竺可桢发表了《二十八宿起源之时代与地点》，论证了二十八宿实起源于中国，而不在印度或巴比伦，解决了国际上争论一百多年而中国却无人参加论争的一个重大的科学史问题。他在1951年发表的《中国过去在气象学上的成就》是我国古代气象学的概括，1953年发表的《〈中国近代科学论著丛刊——气象学〉序》是我国近代气象学史的总结。他还对中外有成就的许多科学家进行深入的研究。1926年《北宋沈括对于地学之贡献与纪述》一文，第一次系统地评述了沈括在地理学、地质学和气象学上的贡献。1941年作了《徐霞客之时代》的报告，认为徐既具有中国人“忠、孝、仁、恕”的旧道德，又有为寻找自然奥秘、历艰涉险的新精神，指出“欲求如霞客之以求知而探险者，在欧洲并世无人焉。”在《近代科学先驱徐光启》一文中，对徐光启推崇备至，并将他与英国近代实验科学的倡导者弗兰西斯·培根进行比较，认为徐光启比培根伟大得多，科学造诣远胜于培根。他在研究了哥白尼、布鲁诺、开普勒、牛顿、波义耳等人的科学活动之后，从他们的身上总结出三种精神：“不盲从、不附和，一切以理智为依归。如遇横逆之境遇，则不屈不挠，不畏强暴，只问是非，不计利害；虚怀若谷，不武断，不蛮横；专心一致，实事求是，不作无病之呻吟，严谨整饬毫不苟且。”
竺可桢本人一生贯彻倡导了科学求真的精神，他身后留下38年的日记，大约八百万字，是一笔无价的财富，对科学史研究有很大的价值。
科普工作是竺可桢矢志振兴中华、毕生用力的一个重要方面。他一直认为，科学研究的提高与普及是互为因果，相辅相成的，越是高级研究人员越应带头向群众进行科研成果的科普宣传。长期以来，他坚持带头进行科普工作，在他一生三百多篇论文著作中，科普作品达一百五十篇以上。
竺可桢著文、演讲的内容涉及面很广。在地理方面，如：何谓地理学，中国地理环境，地理对人生之影响，地理与文化之关系等。在气象方面，如介绍气象发展史和气象科学内容，气象学与人生、农业、战争的关系，到具体介绍台风、冰雹及水旱灾害等科学知识。除地学以外，还涉及生物、天文、医学、航空、历史上的科学家等许多方面。他运用浅显、简练、生动的语言和为人喜闻乐道的事例，破除迷信，宣扬爱国主义精神和科学精神，说明了科学与一个国家文明的关系，对提高人民的科学素养，推动社会进步和经济、社会、教育事业的发展，产生了积极影响。
气候变迁研究
气候变迁是竺可桢一生用力最多、成就最大的一个研究领域。在研究中，他以科学态度、现代方法，驰骋于我国丰富的古代文献中；他博访周咨、细针密缕、不懈不苟，取得具有国际水平的成果，蜚声国际科学界。《南宋时代我国气候之揣测》是他在1924年发表的关于我国气候变化的第一篇文章。在此以后至30年代初，竺可桢曾几次发表有关气候变化的文章，分析我国东部两千年来的水旱资料，认为我国第4、6、7世纪较干，12至14世纪较湿润，15世纪又较干。
竺可桢在1961年发表的《历史时代世界气候的波动》一文，对于研究气候变化的起因是一个很有意义的探索。在该文中他阐述了20世纪上半期气候变暖的事实，并追溯整个历史时期以至第四纪各国水旱寒暖转变波动的历程，以中国历史上的寒冬与欧洲记录相比较，从而发现17世纪后半期长江下游寒冷期与欧洲的“小冰期”是一致的。
竺可桢于1972年正式发表的《中国近5000年来气候变迁的初步研究》是他数十年辛勤劳动所取得的重大成果。文章系统地论述了我国五千年来的温度变化，指出在5000年中的前2000年，黄河流域年平均温度比现在高2℃，冬季温度高3到5℃，与现在长江流域相似。但后3000年，有一系列的冷暖波动，每个波动约历时400到800年，年平均温度变化范围为0.5到1℃，指出气候波动是世界性的。他的立论也深受国内外学术界的一致推崇，因此，可以说，竺可桢在气候学的历史中起了巨大作用，经过半个世纪，他所发表的论文，仍然走在学术界的前面。
服务于农业
研究气候与农业生产的关系，为国民经济建设服务，是竺可桢毕生着力的重要科学目标，为发展农业而探索，则是其研究的核心。
竺可桢早在1922年发表的《气象与农业之关系》一文，可说是我国最早的农业气候论文。文中指出：“气象在农业上实占重要位置，而为从事农业者所不可不研究”，这既为气候工作者指出了重要方向，又为农业工作者开拓了思想。
1936年他在《气候与人生及其他生物之关系》一文中，进一步论述了气候与农、林、牧业及人类各方面活动的关系，深入分析了阳光、温度和质量等因素对植物，包括各种农作物的影响。
1963年，他发表了《论我国气候的几个特点及其与粮食作物生产的关系》，文章论述了光能在作物产量形成中的作用，分析温度和降水对粮食作物的影响，然后进行综合分析，与国外一些事实相比较，从而科学地指出我国的粮食作物生产还有很大潜力，并且提出了发挥这些潜力可以采取的途径，把我国农业气象研究工作，推上了一个新的理论高度。
竺可桢具有深刻的区域观念。他早就重视并开创了我国的气候区划及其上层自然区划工作。竺可桢在1929年所作、1931年发表的中国气候区域论是我国最早的气候区划，他根据当时有限的资料，分析国际上各种气候分类法，对中国具体环境的适用程度，取长补短，提出了区划我国气候的三条原则、具体标准和8大区域类型。此后几十年中，虽多人在他工作基础上作了更好的发展，但基本轮廓未破，主要的几条分界线也相似。
20世纪50年代，竺可桢在主持我国自然区划工作中进一步指出，“社会发展的阶段不同，对于自然区划的要求也不一样”，“服务对象不同，区划的原则和方法亦不一样”。根据所具有的资料，结合国家需要，他强调了各种自然区划要互相协调，以服务于农业为主要目标。在中国东部现有部门区划和综合自然区划的各套方案中，都采用的东北、华北、华中、华南等四大自然区划名称，也以竺可桢为始。1916年他发表的《中国之雨量及风暴说》一文中，采用雨量进行农业气候区划，提出了我国气候区划的三条原则，将我国分成8大类，这是我国第一个气候区划论文。尽管由于受当时资料所限，但与今日的气候区划相比，大体是一致的。
在区划工作中，对于我国亚热带的划分，在50年代一度成为争论的热点。前苏联科学家从气候学上发生观点出发，主张在亚洲东部，以夏天热带季风所能达到之界限为亚热带的北界，这样将黑龙江南部以南，包括华北全部，内蒙古、新疆大部都属亚热带范围，使华南和东北、内蒙古等处于同一气候带，而国内一时也有附和者。竺可桢认为，“这在农产品方面，与过去我国人民对于温带、亚热带的传统观念相距太远，在实际应用上似亦不合适”。他专写《中国的亚热带》一文指出，划分亚热带的原则，最重要的是从实用观点和发生观点出发，两者如不能兼顾，则为地区的经济建设起见，实用观点更为重要。在综合分析了各种争论点之后，竺可桢提出了亚热带划分的标准为积温4500－8000℃，最冷月气温2－6℃，无霜期240－365天。按此划分，则我国亚热带北界接近于北纬34度，即在淮河、秦岭、白龙江一线，为各方接受，从而消除了混乱，统一了区划上的体系。
开创台风与季风研究
竺可桢祖籍绍兴，属多台风区，自幼便体会到劳动人民饱受台风灾害之苦。因此，当他于1913年考入美国哈佛大学攻读气象学以后，便开始了台风研究。他在《远东台风的新分类》和《台风的源地与转向》两文中，首先剖析了在他之前外国学者分类的优缺点，又分析了1904－1915年间247个台风的季节分布源地及路径与转向地点，进而提出了台风分类的新原理，将台风分为6大类型（中国台风、日本台风、印度支那台风、菲律宾台风、太平洋台风、南海台风）和21个副型，这是我国人最早所作的台风分类，较前人分析更清楚、肯定，前进了一大步。对于台风运动速度和转向问题，竺可桢在70年前的研究虽较今天为简单，但结果却和现时所得的大体相符。
当时，台风强度尚无被人们所公认的量度指标，竺可桢首先提出以风速等级作为划分台风强弱的指数，这一思想一直为后人研究台风强度所遵循，并被移置到衡量温带气旋上。目前国际上的规定也是以风速大小来判断是否为台风和它的强度的。另外，由于当时尚无现代手段观测台风，仅凭简单的观测资料，研究台风的结构是十分困难的。但是，竺可桢却能精辟地指出：“台风中心，温度多突增高，湿度则剧烈递减，故必有缓和之下沉气流存在。云雨之消散与风速之衰减即系于此”，这一分析判断为后来现代化的观测所证实，确属真知灼见。
竺可桢在《东亚天气型的初步研究》一文中，比较全面地分析了东亚气压场形势，将中国海平面天气图分成冬、夏两大类型和9个副型，描述了各类天气型的天气特征，统计了两大类型出现的频率。此外，他还将我国暴雨分为6类，逐月统计了出现频率，这是我国最早的天气气候方面天气类型的研究工作，具有经典意义。
季风是我国最重要的气候现象，它的态势决定了我国雨季的形势，其变化主宰了我国的旱涝，因而受到竺可桢的高度重视。早在1916年竺可桢通过潜心研究发表了他第一篇气象论文——《中国之雨量及风暴说》，阐明了季风是海陆热力性质不同的产物，对我国雨量分布有重要意义，开创了我国季风气候学的工作。