環境對動植物生長和發育的影響是壹個極其復雜的過程。但是，用儀器只能記錄當時的環境條件的某些個別因素，而物候現象卻是過去和現在各種環境因素的綜合反映。因此，物候現象可以作為環境因素影響的指標，也可以用來評價環境因素對於動植物影響的總體效果。
中國最早的物候記載，見於公元前壹千年以前的《詩經·幽風·七月》，其後的《夏小正》、《呂氏春秋·十二紀》、《淮南子·時則訓》和《劄記·月令》等，則已經按月記載全年的物候歷了。而《逸周書·時訓解》更把全年分為七十二候，記有每候五天的物候，成為更加完善的物候歷，北魏時曾附屬於歷書。
在西漢，著名的農學著作《汜勝之書》有以物候為指標來確定耕種時期的記載，如“杏始華榮，輒耕輕土弱土；望杏花落，復耕。”至南末，浙江金華(婺州)人呂祖謙記載了南宋淳熙七年和八年(1180、1181)金華的物候，有臘梅、桃、李、梅、杏、紫荊、海棠、蘭、竹、豆蓼、芙蓉、蓮、菊、蜀葵和萱草等24種植物開花結果的日期，春鶯初到和秋蟲初鳴的時間，是世界上最早的實際觀測的物候記錄。
明代，李時珍的《本草綱目》所載的近2000種藥物中，有著極為豐富的植物物候資料，此書的第四十八、四十九兩卷記述了候鳥布谷鳥和杜鵑的地域分布、鳴聲、音節和出現時間等，是鳥類物候的翔實記載。19世紀中葉，太平天國頒發的《天歷》，其中《萌芽月令》就是以物候指導農時的月歷。
在歐洲，古希臘的雅典人就已經編制了農用物候歷。英國馬香子孫五代，則從1736年起到20世紀40年代止，對植物、候鳥和昆蟲等27種動植物進行了長期觀測和記錄。這是歐洲年代最長的物候記錄。18世紀中葉，瑞典植物學家林奈所著《植物學哲學》壹書，概述了物候學的任務，物候的觀測和分析方法，並組織了有18個點的觀測網。他是歐洲物候學的主要倡導者之壹。
在德國，植物學家霍夫曼從19世紀90年代起建立了壹個物候觀測網。他選擇34種植物作為中歐物候觀測的對象，親自觀測了40年。其後，又由其學生伊內接替。在美國，森林昆蟲學家霍普金斯於1918年提出了北美溫帶地區物候現象陸空間分布的生物氣候定律。
在中國，現代物候學研究的奠基者是竺可楨。他在 1934年組織建立的物候觀測網，是中國現代物候觀測的開端。在他的領導下，1962年，又組織建立了全國性的物候觀測網，進行系統的物候學研究。為了統壹物候觀測標準，1979年又出版了《中國物候觀測方法》，並逐年匯編出版《中國動植物物候觀測年報》。
20世紀50年代以來，由於各國物候觀測網的擴大，物候資料更加豐富了。更由於遙感技術和電子計算機等的應用，使物候學的研究在規律的探索和應用方面都得到了更大的發展。
物候學的基本研究方法是平行觀測法，即同時觀測生物物候現象和氣象因子的變化，以研究其互相關系。主要是定點觀測生物物候現象的周年變化；按照統壹的觀測方法組織物候觀測網，對物候現象同時進行觀測；在短期內(3～5天)使用汽車等交通工具進行小地區的物候觀測；通過地球資源衛星照片來分析農作物和植被的物候變化；通過試驗來研究物候期受氣候等因子影響時的生理機制。
各種生物物候現象的出現日期，雖然每年隨氣候條件變化而變，但在同壹氣候區內，如果不受局地小氣候的影響，其先後順序每年保持不變。在不同的氣候區域內，由於生物品種和氣候條件的組合發生變化，物候現象的順序就會改變。物候現象的順序性是編制自然歷和預報農時的基礎。
由於氣候分布的地帶性和非地帶性，物候現象隨緯度、經度和高度的變化具有推移性的特點。如1918年霍普金斯提出的生物氣候定律：在其它因素相同的條件下，北美溫帶地區，每向北移緯度1°向東移經度5°，或上升約122米，植物的階段發育在春天和初夏將各延期四天；在晚夏和秋天則各提前四天等等。
物候學研究已成為生態系統的分析和管理的壹個方面，在物候區劃、農作物的合理配置、山區垂直分布帶土地的合理利用、防止環境汙染和三廢利用等方面，正進行著大量的物候學研究工作。除對物候現象作宏觀研究外，已經開始對植物器官內部形態的變化進行觀察研究。在研究氣象條件對生物物候影響方面，已開始利用人工氣候室進行實驗研究，及建立氣象條件和生物物候變化的數學模式等研究。