1933年，竺可桢在《中国气流之运行》一文中，分析了在1、4、7、10四个月中，我国地面气流和高空气流的特点及四季变化，指出：制约我国气流的四大中心是：西伯利亚高压、印度低压、北太平洋高压和阿留申低压，冬季风主要是受西伯利亚高压制约下的气流，夏季风则是在北太平洋高压和印度低压制约下的气流。这是我国学者论述东亚大气环流最早的文章，是我国季风气候学最早的理论文章。
竺可桢的《东南季风与中国之雨量》是一篇内容丰富、立论严谨的早期经典性论文之一。该文提出了印度季风与东南亚季风的异同点，在气候学上第一次指出他们在物理性质、致雨机制和成因上的差别，为季风气候研究和长期天气预报提供了重要基础。在20世纪30年代资料稀少情况下所得出的结果，至今仍然正确，是很不容易的。
开创现代气象研究
1928年初，竺可桢任气象研究所筹备处主任。至1928年前，中国自己的气象机构既寥寥无几，又都奄奄一息，无所作为，在我国沿海、沿江的口岸及岛屿附设的几十个气象测报点都归英帝国主义所控制，在上海、青岛专设的气象台全归外人所有。外国人几乎完全把持了我国的气象事业。竺可桢对这种侵权行为极为愤慨，一心要建立和发展中国自己的气象事业。因此他对筹建气象研究所倾注了极大的热情，对所址选定、建筑布局、道路及引水工程，仪器设备和图书购置，无不亲自精心筹划，在经费、人员严重不足的情况下艰苦经营，只一年时间，一座器具国际先进设备的气象台就被建成，矗立于北极阁之巅。其他，如地面和高空观测、日射观测、空中电位观测、物候观测、微尘观测、天气预报、气象广播兼及地震测量等业务和研究工作，随即相继开展，1930年元旦起有了我国自己发布的天气预报和台风警报。
为奠定我国气象事业的基础，竺可桢将推动建立我国自己的气象台站网列作首位任务，于1928年提出了《全国设立气象测候所计划书》，而后坚持加以推行。为适应各地建立台站需要，竺可桢领导气象研究所先后4次举办培训班，并亲自授课，培养了近百名业务骨干；还编写出版了《测候须知》、《国际云图节略》等多种业务指导用书；还以各种方式向各地积极提供帮助。经长期不懈努力，到抗日战争前夕，全国的测候所、雨量站已发展到三百余处。在这进程中，竺可桢为整顿和统一全国气象业务，曾拟出《全国气象观测实施规程》，通过政府颁令全国实施，还在1930至1937年间连续主持召开过3次全国气象机关联席会议，使我国气象事业的发展逐步走向统一规范化的轨道。竺可桢还将气象资料的整理、出版视为气象事业的一项基础工作，予以十分重视。他领导气象研究所编纂了《中国之雨量》、《中国之温度》等巨著，还将气象资料按月、季、年定期出版，开展了经常性的气象资料服务工作。
竺可桢投入巨大精力领导全所开展研究工作。他不但自己率先勤奋研究，又为本无研究任务、相当于助研、助理的业务人员积极创造条件，使他们也担负部分研究任务，还经常举行学术报告讨论，使全所形成浓厚的学术气氛，所以到1937年，他自己和其他人员以中英两种文字发表的重要论文有二十多篇，他同国内外展开广泛交流。他本人在中国气候区划（如《中国气候概论》）、中国的季风（如《东南季风与中国之雨量》）、中国的大气运行（如《中国气流之运行》）、中国物候（如《论新月令》）、天气预报（如《南京三千米高空之风向与天气之预测》）等方面都有开拓性的研究成果，也起到了学术带头人的作用。
组织多项综合考察
建院初期，竺可桢副院长兼任生物、地学部主任，组建中国科学院综合考察委员会。20世纪50年代初，建国伊始，百废待兴，摸清家底、掌握国情、把握第一手科学资料，是新中国建设的先行基础性科学任务。综考会凝聚全国高等院校和产业部门专家学者的智慧和力量，团结协作，并得到前苏联专家的支持，先后组建了治沙队、黑龙江队、新疆队、青藏队、南方队和西南队等10多个大型考察队，对全国960万平方公里广袤的国土，进行全面有序的调查研究。竺可桢亲自参加黄土高原的野外考察，在治沙队赴宁夏野外考察时，险遭车祸。他在综考会的领导工作，后来由土壤学家马溶之院士、孙鸿烈副院长继任，竺可桢一贯提倡学习徐霞客的精神，脚踏实地，求真务实。
在考察队前期工作的基础上，这些考察队逐步转型为专业研究所或定位试验或工作台站。例如，治沙队后来在兰州建所，在宁夏沙包头建试验站，成为国际知名的荒漠化试验研究基地。青藏队在兰州设置高原气候与冰川冻土等研究所，近年来又组建青藏高原研究所，对高原隆起、冰雪资源、大气环流、冻土工程……诸多新领域，继续进行调查研究，取得了举世瞩目的成就。又如黑龙江队为三江平原的农垦开发，为黑土粮仓的建设，也作出了巨大的贡献。后来在沈阳设置了生态农业研究所，在长春设置了东北农业与湿地研究所，成为我国湿地保护研究的主力军。南方队在江西留下的千烟洲试验站，被评为全球百佳生态试验站之一。现在，中国科学院遍布全国的近30个试验台站，已成为我国长期、定位观测的生态网络的组成部分。大部分是由当年综合考察活动播撒的种子。经过几代科技工作者的执着呵护，茁壮成长为参天大树，造福一方。为近五十年来，全球变化和可持续发展提供了科学依据，为我国区域协调发展打下了坚实的科学基础。
组织编撰国家大地图集
周恩来总理在20世纪50年代，亲自主持制订《全国十二年科学技术发展规划纲要》。中华人民共和国国家大地图集列为第四项重大专项，由中国科学院和国家测绘总局共同负责。竺可桢任主任委员，约请全国地学、生物学、经济学、地图学专家近50人，组成阵营强大的编纂委员会，策划包括普通、自然、人口、农业、历史等五卷地图集出版。
竺可桢还指定黄秉维、周立三、谭其骧院士等分别担任主编，亲自为编辑部的青年培训班讲课，为国家大地图集写序，鼓励大家，继承祖国地图学的光荣传统，再铸辉煌。当前苏联专家提出一个越俎代庖的方案，要与中国合编中国的国家地图集时，周总理和竺可桢老坚持独立自主、自力更生的方针。指示我们：既要认真帮助苏联编图，更要加紧加快自己的设计试验工作，争取中国国家大地图集早日出版，为国争光。
国家大地图集是以地图的语言，全面综合反映新中国测绘、地学与生态、农业、人口诸多科学领域的成就，集成度比较高，对我国资源、环境初步实现定位、定量与标准化、规范化的描述。以自然地图集为例，其中推出了新构造、第四纪地质平原地貌、海洋图组等20多种新兴学科的开拓性代表作，同时又覆盖了大气、海洋和陆地各圈层的研究进展。除了实地考察的典型区域详图之外，还有大量历史变迁的分析图和全国区划图。可以说，它是对当年自然资源与地理环境的科学积累进行了一次大清理，又是对区域分异规律与时空演化过程研究的初步总结。同时作为一项科学工程，它掀起了全国20多个省区编制地图集的高潮，带动了造纸、色标、照相排字、薄膜刻图、组合图例等制图工艺流程中八项重大技术革新，提高了我国地图生产技术水平。国家大地图集的内部版只分发到军级以上干部，后来中英文版则在国内外公开发行。中华人民共和国国家大地图集，先后分别获国家自然科学二等奖，国家科技进步一、二等奖，国际地图学协会（ICA）颁发了两项最高荣誉奖。国家与区域地图集专业委员会来北京召开了两次现场展览及学术会议，对中华人民共和国国家大地图集的成就给予高度评价。
组织开展自然区划
自然区划列为新中国《十二年科学技术发展规划》第一项任务。竺可桢任中国自然区划委员会主任委员，凝聚全国地学和生物学家近50人。金善宝、钱崇澍、伍献文、曾承奎、吴征镒、郑作新、黄汲清、张文佑、马溶之、侯学煜、张宝堃等老一辈科学先驱们都大力支持、积极参加，阵营非常强大。
同时竺可桢还聘请前苏联科学院格里哥里也夫副院长、柯夫达通讯院士和萨莫依洛夫教授等来华指导工作。这项工程先后历时十年，编制了气候、地貌、土壤、植物、动物、地下水和综合自然共7种全国1∶400万区划图件，完成了相关的7部专著。并促进了全国植被、土壤、土地利用、土地资源等1∶100万－1∶400万专题类型地图的编制，这些在当时都是达到国际先进水平的科学成就。
气候区划是各种自然区划的基础。竺可桢是中国气候区划的奠基人。他对中国境内气候地带的划分做过长期的深刻的研究。在新中国的自然区划工作中，对热带、亚热带、温带的界定和划分又进行了精确、细致的论证和研究。例如，亚热带的南界，曾经引发了许多专家的议论：北亚热带是否达到北京？前苏联专家也有不同的意见。温带荒漠和青藏高寒荒漠的划分，是否体现了全球性与地区性的统一？竺可桢最后都深思熟虑，逐一厘定。他每星期五抽出时间来北郊917大楼办公，参与自然区划的各种方案的讨论会。同时还指派周迋儒、施雅风，从北向南，从山东半岛到雷州半岛，步行穿越大别山、雪峰山、南岭、十万大山，实地勘察区划分界线的具体部位：究竟分界线应该是在山顶还是山麓？在南麓还是在北麓？景观生态是否与积温指标吻合？分界线是条带状还是斑点式渐变的？逐一提交报告作出界定。当时他还曾派出另一支小分队经兰州去拉萨，回到北京汇报，他严肃地批评说：“你们看的内容，在外国人的书本中都见到了，没有什么新的发现。”当即宣布小分队解散。竺可桢严谨、认真的学风，给予现实的影响是非常深远的。
新的自然区划很快应用于指导制订农业生产区划。竺可桢1964年发表了《论我国气候的几个特点及其与粮食作物生产的关系》一文，综合考虑农业生产条件，深入分析光照、温度和水分等因素。侯学煜院士向中央提交了大农业区划的报告，受到毛泽东的高度赞赏，批示分发给全国党政干部，作为学习资料，农业部从而在全国设置各级农业区划办公室，从中学到大学，也纷纷把新区划方案列入教材。
无论类型区划还是地域区划，都是从全球观点着眼，研究地区差异、协调地区经济发展的科学方法。从自然资源与地理环境的多样性中加以简约提炼出来，反映客观的时空演化规律，从而为科学地制定总体规划和宏观调控的对策服务，做到因地制宜。可以说，区划是以科学发展观统领五个统筹的一项最基础的工作。通过自然区划工作，在全球地带性的基础上，加深对本土化知识对我国区域分异的过程和影响，当时在学术界基本上形成了共识。在农、林、牧、副、渔生产布局中，发挥了宏观调控的指导作用，是众所周知的。
竺可桢当年担任中国科学院的副院长时，分管生物、地学领域，其贡献远不只上述的三大建树。从他对这三大建树的回顾中可以了解到，如何继承对地球系统科学理论方法的经典研究模式、如何开拓创新，对此他都作出了示范、树立了楷模。他平时经常督促青年地学工作者要加强、加深数、理、化的科学基本功。他在病中还亲自写信，勉励同事加速制图自动化的研制。在他的鼓励和鞭策下，人们把遥感作为物理手段，以信息系统作为数学方法，来加速地球科学的信息化，并以此作为服务现代化的切入点。
通过综合考察、大地图集编纂和自然区划等重大国家任务半个世纪的磨炼，无论老、中、青干部，多学科的综合能力都有了明显的提高。从团队式的野外实地勘察、定位的观测分析、综合分析制图的实践中，对研究地区有了比较全面的感性认识，也加深了对当地人民疾苦的了解，坚定了为科学献身的决心，出生入死、栉风沐雨，为开发中国西部、振兴东北的战略，作出了宝贵的贡献。
竺可桢在学术组织工作中的大家风范，人格魅力，海纳江河的博大胸怀，凝聚全国产学研的人力资源和智慧，大协作，大团结，更是全社会应该学习的榜样。