De naoorlogse periode liet een snelle ontwikkeling zien binnen de takken van wetenschap welke tot het terrein van het KNMI behoren en ook van de toepassingsmogelijkheden hiervan voor de moderne maatschappij.

Het KNMI ging hoe langer hoe meer functioneren als kenniscentrum op het gebied van de meteorologie, de fysische oceanografie en de geofysica. Het gevolg hiervan was dat het instituut een grote verscheidenheid aan onderzoeken ging verrichten. De meeste onderzoeksprojecten waren gericht op de verbetering van de operationele weersverwachting en beantwoording van specifieke vragen uit de samenleving, waardoor het aantal maatschappijgerichte onderzoeksprojecten steeg.

Een deel van dergelijke onderzoeken wordt ook nu nog verricht in opdracht van andere Ministeries. Voorbeelden hiervan zijn onderzoeken in verband met onder andere luchtverontreiniging, gebruik van zonnen- en windenergie, verspreiding van giftige gassen bij calamiteiten, seismiciteit en de plaats van kerncentrales, detectie van kernexplosies, remote-sensingtechnieken en geluidshinder in afhankelijkheid van het weer. Een ander deel van deze projecten gebeurt op initiatief van het KNMI zelf, zoals bij voorbeeld de klimaatbeschrijving uit 1981. Deze bestaat uit een serie afzonderlijke publicaties ten behoeve van specifieke groepen en een klimaatboek van Nederland, voor een breder publiek.

De belangstelling voor het klimaat nam om verschillende redenen toe, onder andere door een aantal zeer hete zomers en zeer koude winters in de afgelopen decennia en de groeiende belangstelling voor alternatieve energiebronnen en energiebesparende bouw. Ook de toename van de problemen met het waterbeheer en daarmee de vraag naar relevante klimatologische gegevens was als oorzaak aan te wijzen. Dit leidde tot een andersoortige vraag naar klimatologische gegevens dan voorheen.

In de vijftiger en zestiger jaren werd een deel van het oceanografisch onderzoek van het KNMI op de Noordzee verricht. De oorzaken hiervoor waren terug te voeren op de stormramp van 1953 en de beginnende olie-exploitatie. Naar aanleiding van de stormramp begon het KNMI met onderzoek naar waterbewegingen op de Noordzee. Toen een begin werd gemaakt met de olie-exploitatie kwam het onderzoek naar golfstromingen pas goed op gang, onder meer ten behoeve van de beveiliging van de boorplatforms.

Via de zogenaamde COST-projecten van de Europese Gemeenschap, projecten in het kader van de Cooperation Scientifique et Technique, werd sinds 1971 internationaal een aantal onderzoeken in de sectoren meteorologie en oceanografie uitgevoerd. Deze wetenschappelijke samenwerking tussen een of meer lidstaten van de EG en/of derden, werd door de EG-commissie voor Wetenschappen gecoördineerd. De Nederlandse bijdrage aan COST-actie 72 uit 1980, het voeren van Europees onderzoek naar het meten van neerslag met radar, werd gerealiseerd door het KNMI.

Vanaf het eind van de jaren zeventig werd het beleid er in toenemende mate op gericht, mede in verband met kostenbesparing, het onderzoek waar nuttig en mogelijk uit te voeren in nationale en internationale samenwerkingsverbanden. Dit werd onder andere gefinancierd met subsidies van het Stimuleringsfonds en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek. Via de subsidies van het Stimuleringsfonds van de Minister voor Wetenschapsbeleid werden uitwisselingsprogramma’s voor binnen- en buitenlandse onderzoekers mogelijk. Over het internationale uitwisselingsprogramma heeft de Minister van Verkeer en Waterstaat in 1981 met behulp van het KNMI kamervragen beantwoord.

Vanaf het eind van de jaren zeventig kwam bij het KNMI het accent hoe langer hoe meer op het klimaatonderzoek en seismologie te liggen. Veranderingen in de atmosfeer als gevolg van menselijk handelen maakten onderzoek naar transport en neerslag van luchtverontreiniging nodig. Ook de algemene stabiliteit van de Nederlandse bodem werd vanwege recente aardbevingen voorwerp van onderzoek. Onderzocht werd onder andere de bodemgesteldheid met betrekking tot het onttrekken van olie en gas aan de grond. De Minister van Verkeer en Waterstaat beantwoordde in 1991, op basis van een mede door het KNMI verricht onderzoek, kamervragen omtrent de relatie tussen gaswinning en aardbevingen in noordoost Nederland. Tevens werd het seismologisch onderzoek bij het KNMI gericht op de detectie van ondergrondse kernexplosies, in het kader van de controle op de naleving van het VN-verdrag inzake het verbod op kernproeven.

Ook de toenemende zeevervuiling maakte onderzoek nodig. In 1968 beantwoordde de Minister van Verkeer en Waterstaat met behulp van het KNMI kamervragen over de ramp met de Torrey Cannyon. Met de ontwikkeling van verwachtingstechnieken voor golfomstandigheden en waterstanden in de Noordzee konden betere adviezen inzake de locatie en de te verwachten route van zeevervuilingen worden afgegeven. Ten behoeve van het klimaatonderzoek werd onderzoek verricht naar de wisselwerking tussen zee en atmosfeer. De onderzoeken gebeurden vaak in samenwerking met het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), Rijkswaterstaat, het Waterloopkundig Laboratorium (WL), de Koninklijke Marine en de Nederlandse Raad voor Zeeonderzoek. Het streven van het KNMI is er in de jaren negentig op gericht om als Noordzee specialist een door de WMO erkende internationale status te krijgen en hierdoor zijn positie bij de taakverdeling binnen Europa te verstevigen.

De formulering van het nationale milieubeleid en het nationale klimaatbeleid werd in de jaren tachtig een kerntaak van het Ministerie van VROM. Het klimaatonderzoek werd een kerntaak binnen het KNMI.

Het uitgangspunt hierbij was het in kaart brengen van de gevolgen van een mogelijke klimaatverandering voor onder andere de waterbeheersing in Nederland. Hierbij kwam nauwe samenwerking tussen het KNMI en de Dienst Getijde- en Binnenwateren van Rijkswaterstaat op gang. Daarnaast werd door het KNMI deelgenomen aan internationale onderzoeksprojecten, onder andere naar klimaatverandering als gevolg van toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer op lange termijn. Ook werd door het KNMI in samenwerking met Rijkswaterstaat aandacht besteed aan de invloed van klimaatverandering op het niveau van de zeespiegel.

Het KNMI kreeg in 1988 de coördinatie en de advisering ten aanzien van het departementale klimaatbeleid, zowel nationaal als internationaal, in zijn portefeuille. Dit betekende onder andere dat het KNMI bij internationaal overleg op het gebied van milieu en klimaat in de Nederlandse delegatie de belangen van het Ministerie van V en W behartigde en een inhoudelijke bijdrage leverde. In deze delegaties, die in regel onder leiding van het Ministerie van Buitenlandse Zaken staan, heeft het Ministerie van VROM de technische coördinatie. Op nationaal niveau werd het KNMI als coördinator van het klimaatbeleid van V&W betrokken bij het door het Ministerie van VROM opgestelde Nationaal Milieu Beleidsplan.

Het Ministerie van V&W werd aan het eind van de jaren tachtig, samen met het Ministerie van VROM, belast met de nationale coördinatie van het onderzoek naar de mondiale luchtverontreiniging en klimaatverandering. Door de hiertoe in 1989 ingestelde Interdepartementale Stuurgroep Nationaal Onderzoek Programma werd een onderzoeksprogramma ontwikkel, waarvan in het Nationaal Milieu Beleidsplan de financiering werd aangegeven.

Daarmee trok het KNMI in samenwerking met het RIVM het Nederlandse onderzoek naar luchtverontreiniging en klimaatverandering. Het KNMI leverde hieraan een bijdrage door onder andere de computermodellen voor de mondiale waarneming te verbeteren.