Fort d’une compétence historique en modélisation du transfert radiatif dans l’atmosphère, le laboratoire a une expertise internationalement reconnue en matière de télédétection depuis l’espace et plus récemment depuis le sol. Son expertise couvre une vaste gamme spectrale, qui s’étend des domaines ultraviolet et solaire à l’infrarouge thermique et aux ondes millimétriques. Le laboratoire est ainsi centre d’expertise du Pôle national AERIS (Pôle de données et services atmosphériques).
Le laboratoire s’investit également dans le développement d’instruments de mesure, déployés au sol ou embarqués sur avion pour servir de prototypes spatiaux.
En outre, le LOA a développé une plateforme instrumentale sur le toit du laboratoire qui permet de mesurer en continu la composition de l’atmosphère grâce à une large gamme d’instruments de télédétection au sol et de mesures in-situ. Il pilote à distance une autre plateforme d’observation située à M’Bour au Sénégal et contribue à différentes autres plateformes d’observations (Observatoire de Haute Provence, Observatoire de Physique de l’Atmosphère de La Réunion). Cette activité instrumentale s’inscrit dans le cadre de Services Nationaux d’Observations (SNO PHOTONS, SNO NDACC-France) et de réseaux de surveillance européen (EARLINET) et internationaux (NDACC, AERONET).
Enfin le laboratoire s’est doté au cours des dernières années d’un volet de modélisation méso-échelle qui permet de décrire le cycle de vie des aérosols, nuages et gaz précurseurs et leurs impacts sur l’atmosphère sur des échelles urbaines à continentales.

Les activités de recherche du LOA sont menées par deux équipes spécialisées dans l’étude des aérosols et des nuages respectivement, qui sont également animées par des recherches transverses sur les interactions aérosols-nuages.