实验室拥有完备的采样和分析设备，建成大气环境监测与分析平台，可以对大气颗粒物样品进行理化全分析。搭建了气体以及不同粒径多形态的颗粒物样品采集系统，拥有包括API-ToFMS、LToF-SP-AMS、PTR-TofMS、Orbitrap超高分辨率质谱仪、单颗粒气溶胶质谱仪、大气重金属和水溶性离子在线分析仪等在内的高精度实时联合分析平台，在我国城市和自然地理关键地带开展多物种综合外场观测；并且拥有智能扫描电镜、气相色谱质谱用仪、稳定同位素质谱仪、X荧光光谱仪、碳分析仪等先进化学组分分析仪器，可开展气体和气溶胶的实验室理化分析、计算机数值模拟及新型纳米光催化材料合成与表征等工作。
气溶胶化学与物理重点实验室实验室率先在国内开展大气气溶胶的研究，建立了自2003年以来城市（西安）PM2.5日均质量浓度和各个物质组成的变化特征序列曲线（国内唯一的长序列日均变化的连续曲线）；率先开展碳气溶胶的研究，建立了不同类型黑碳分离测试方法和有机碳/元素碳稳定同位素源解析方法，为黑碳研究提供新的视角和思路，并应用到不同城市和区域气溶胶来源分析，获得我国主要城市与背景地区碳气溶胶分布；开发粉尘碳酸盐含量测试新技术，明确高含量碳酸盐的亚洲粉尘对区域和全球减缓酸雨和降低CO2浓度的明显作用，定量获取了沙漠粉尘气溶胶硫酸盐的含量；论证了土壤来源的硫酸盐对长距离传输粉尘气溶胶中硫酸盐贡献的重要性，并建立了粉尘源谱（元素/离子/碳/同位素），丰富亚洲粉尘研究。开展东亚多城市、高山和海洋有机气溶胶同步观测，获得有机气溶胶来源、组成和时空分布。在分子水平上获得其组成、时空变化、粒径分布等特征。阐明煤烟型、生物质燃烧型、机动车尾气型灰霾有机气溶胶的指纹特征，为污染治理提供依据。确证多环芳烃（PAH）在长距离传输过程中的挥发、吸附/凝缩，丰富了无机和有机组分的耦合演化研究；通过过去与现代环境的观测与模拟结合研究辨明气溶胶在地球大气演化过程中的地位与作用，为环境保护部门治理我国沙尘暴、城市大气颗粒物污染、黄土高原水土流失综合治理以及我国环境外交提供科学依据。
近年来实验室大力发展空气污染控制技术，环境污染控制团队基于纳米催化的空气污染控制及面向碳中和的二氧化碳资源化利用技术，形成了以常温催化、光催化、热催化及纳米抗菌灭毒技术为核心的特色技术体系。团队首次在国际上设计并建造了集太阳能、地热能及清洁能源综合利用于一体的大型城市空气清洁系统示范装置。在博物馆室内空气质量研究及文物材料环境模拟中研究取得了重要成果，与国际一流团队合作，承担秦始皇兵马俑博物馆室内大气污染特征联合研究项目。团队以应用为导向，围绕大气挥发性有机物（VOCs）、NOx及甲醛等开展了室内常温催化除甲醛控制技术、纳米光催化净化技术、先进薄膜制备、热催化技术、抗菌技术、固载技术及流体力学理论模拟等基础性研究，研发了不同尺度的集太阳能利用、细颗粒物过滤、纳米光/常温催化技术为一体的城市空气净化系统，并开发了适用于街区、停车场、隧道等不同空间尺度的环境净化装置（如空气净化塔、太阳能空气净化路灯等）。与珠海格力电器等行业龙头企业合作成功实现了技术转化和产业化应用。团队现拥有完备的理论计算服务站、材料合成和评价设备、多型材料表征仪器。
实验室建设至今，研究成果已经在Nature、Science、PNAS、JGR、ACP、ES&T、AE等国际高水平杂志上发表气溶胶相关SCI论文700余篇，被引用率达到了5万余次，获20余项中国发明专利授权，出版专（编）著5部，在国内外具有重要的学术影响。近5年来承担科研课题40多项，总经费逾1.2亿。其中主持国家科技部基础性研究专项（1项）、科技部科技支撑计划（2项）、国家基金委重点基金（1项）和杰出青年基金（3项），共同主持中科院战略先导专项中气溶胶项目（1项），中部省市项目5项。向国务院及各级地方政府提交大气污染防控相关咨询报告10余份；为我国空气污染重点区域-汾渭平原四个地市的大气污染综合治理提供了强有力的数据支撑和人员支持，并为“第十四届运动会”及残特奥会期间的提供空气质量保障服务，获得省市政府相关部门肯定。
历史沿革：
1984年，在刘东生院士等老一辈科学家的倡议下，中国科学院黄土与第四纪地质研究室成立。安芷生院士（时任副研究员）带领几名科研人员开始了艰苦而辉煌的创业历程。
1987年8月，被中国科学院批准为开放实验室，刘东生院士任第一任实验室主任。
1988年，成立粉尘地球化学实验室。
1993年，实验室被原国家计委列入“国家重点实验室建设计划”，1995年通过验收，成为国家重点实验室，安芷生院士为黄土与第四纪地质国家重点实验室第一任主任。
1999年，以黄土与第四纪地质国家重点实验室为基础成立了地球环境研究所，并整体进入中国科学院创新工程试点。
2000年开始筹建气溶胶实验室，2003年建成并运行，随着实验室规模的逐步扩大，2006年命名为粉尘与环境研究室，为黄土与第四纪地质国家重点实验室的五大支柱研究室之一，目前已取得多项原创性研究成果。研究室主任为曹军骥研究员。
2011年2月，开始建设所级气溶胶重点实验室。同年9月，陕西省环境保护厅批准（陕环发【2011】78号）成立环保领域第二个省级重点实验室“陕西省环境保护大气细粒子重点实验室”。
2014年8月，经中国科学院批准，建立气溶胶化学与物理重点实验室。