任国玉长期从事气候学、气候变化和古气候研究。公开发表学术论文260余篇，出版编著、图集等8部，客座主编国内外核心期刊专辑5期。1985年7月，任国玉在
辽宁师范大学地理系任教。1994年7月，到中国
国家气候中心工作。1998年，任国玉作为德国
洪堡基金学者在
哥廷根大学工作1年。2004年11月，被聘为中国国家气候中心首席专家。2008年，任国玉发布论文《气候变化对我国水资源情势影响的综合分析》。2012年1月，被评聘为
中国气象局专业技术岗位二级研究员。2016年1月至2020年12月，任国玉主持了科研项目《全球陆地气候变化监测技术与应用》。2022年4月，主持了“气候变化联合研究组”2022年度研讨会开、闭幕式。
2014，任国玉获得
中国水利学会大禹水利科学技术奖， 一等奖。2016年，获得气象科学技术进步奖，一等奖。
1985年7月，任国玉在
辽宁师范大学地理系任教，工作了6年时间。随后在1994年7月，到中国
国家气候中心工作。
1998年，任国玉作为德国
洪堡基金学者在
哥廷根大学工作1年，期间曾发表论文《我国降水变化趋势的空间特征》，2001年11月，被聘为研究员。随后在2004年11月，被聘为中国
国家气候中心首席专家。
2008年，任国玉发布论文《气候变化对我国水资源情势影响的综合分析》，由《水科学进展》出版。随后在2012年1月，被评聘为
中国气象局专业技术岗位二级研究员。次年，担任《
干旱区研究》编委。
2016年1月至2020年12月，任国玉主持了科研项目《全球陆地气候变化监测技术与应用》。2021年7月10日，参与《地球科学大讲坛》线上课堂第三期，讲述了“古气候与现代气候变化”。次年4月，主持了“气候变化联合研究组”2022年度研讨会开、闭幕式。
任国玉在中国北方全新世气候与环境演变、全球和中国大陆关键气候要素趋势变化、气候变化对中国主要流域水循环与水资源的影响、城市气候变化、城市化对地面气候观测资料的影响、国家气候变化应对策略和政策等方面，开展了持续研究，取得了系列成果。公开发表学术论文260余篇，出版编著、图集等8部，客座主编国内外核心期刊专辑5期。论文为CNKI引用1.2万次以上，Google Scholar引用1.6万余次，Google Scholar H-指数60，两篇代表性论文被引频次分别超过1500次和1300次。
2024年5月29日，印度德里地区蒙盖什布尔气温监测站记录到49.9℃高温，持续高温已经造成多人死亡。任国玉对此表示，
印度北部、
巴基斯坦部分地区平均气温距平比多年平均高出2至4℃，平均最高气温也比常年高出2至5℃，并解释南亚地区属于典型热带季风气候，3至5月是印度传统旱季，气候干燥炎热。每年5月到6月初的前季风阶段，当地都会经历高温侵袭，今年控制
伊朗到南亚地区的副热带高压尤其强，也是造成当地气候更加炎热干燥的环流因素。