llmastotutkijat ovat yleensä eniten kiinnostuneita siitä, mitä tapahtuu ilmakehän alaosissa (nk. troposfäärissä, noin 10-15 km maanpinnasta), eli asioista, jotka vaikuttavat pinnalla havaittaviin sääoloihin. Kuitenkin myös esimerkiksi lumi ja vesistöjen jääpeite sekä maaperän kosteus ja lämpötila ovat itsessäänkin tärkeitä monien ilmastotutkimuksen sovellusten kannalta.
Jotta voitaisiin ennustaa, mitä ilmakehässä tapahtuu, pitää ottaa huomioon mahdollisimman kattavasti kaikki ilmakehän olosuhteisiin vaikuttavat asiat. Siksi ilmastomalleissa on mukana ilmakehää kuvaavan osamallin lisäksi meriveden virtausta, lämpötilaa ja suolaisuutta simuloiva valtamerimalli sekä omat mallinsa merten jääpeitteelle ja maan pintakerrokselle vähintään muutaman metrin syvyyteen asti. Jotkin ilmastomallit pyrkivät ennustamaan myös kasvillisuuden muutoksia ilmaston muuttuessa.
Kaikki osamallit kytketään yhteen fysiikan lakien mukaisesti. Jos esimerkiksi merestä haihtuu ilmaan vesihöyryä, alimman ilmakerroksen kosteussisältö kasvaa, mutta samanaikaisesti meriveden suolaisuus lisääntyy ja merenpinta jäähtyy haihtumiseen kuluvan energian takia.
Ilmastomallien ilmakehäosa ulottuu vähintään keskistratosfääriin 30 kilometrin korkeudelle, mutta joissain malleissa jopa nk. mesopaussin tuntumaan 100 kilometrin korkeudelle asti. Vaikka tropopaussin (troposfäärin “yläraja”) yläpuolisilla ilmakerroksilla ei olekaan välitöntä vaikutusta pinnan lähellä havaittavaan säähän, on stratosfäärillä (troposfäärin yläpuolinen ilmakehän kerros) kuitenkin epäsuora vaikutus myös alailmakehän tuulioloihin. Stratosfäärin ominaisuuksilla on merkitystä ilmaston kannalta. Esimerkiksi stratosfäärin otsonin määrä (nk. otsonikerroksen paksuus) vaikuttaa maan pinnalle tulevan ultraviolettisäteilyn määrään.
