空气动力学的研究方法主要分为理论和实验两个维度，它们相互依赖，共同推进学科发展。在理论研究中，基础原理包括运动学的质点守恒定律、动力学的牛顿第二定律、能量转换与传递的守恒定律、热力学的定律，以及介质属性的气体状态方程和流体性质的规律等。
实验研究则通过精密的设备，如空气动力仪，直接观察和记录流动现象，测量气流与物体的相互作用，发现新现象并提炼出规律性结论。随着高速电子计算机的飞速进步，数值计算在分析复杂流动和力学计算中的作用日益显著，成为实验研究的重要辅助工具。
空气动力学研究的流程通常包括：首先，通过实验观察，分析并构建力学模型，依据物理定律制定流动的基本方程和边界条件；然后，将理论预测或数值计算的结果与实验数据对比，验证其准确性和适用性，同时产生新的研究议题。这一过程反复进行，逐渐揭示空气动力学问题的深层机理。
进入21世纪，空气动力学的研究领域不断拓宽，包括湍流、边界层过渡、声速流动、涡旋与分离、多相流等复杂问题的研究，以及工业空气动力学、环境空气动力学，以及考虑物理化学变化的气体动力学等领域的深入发展。这些领域的活跃研究推动了空气动力学的前沿进步。
最早对空气动力学的研究，可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿应用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。