Es altamente reconocido por el desarrollo de un sistema de clasificación climático, publicado en 1948, que aún es ampliamente usado mundialmente, y también por sus detallados balances hídricos con la evapotranspiración potencial.

Leighly, profesor de la UC Berkeley durante 62 años, escribiría su obituario.

[3]​[4]​ En 1931 publica The Climates of North America: According to a New Classification[5]​ lanzándose a su verdadera vocación de climatólogo, una vocación que une la ciencia de la climatología con la geografía.

[6]​ Deja el USDA en 1946, abriendo su "Laboratorio de Climatología" en Seabrook, Nueva Jersey, operándolo hasta su fallecimiento en 1963.

[7]​ En 1948 publica uno de sus artículos más citados: An Approach Toward a Rational Classification of Climate (1948).

Al fallecer su esposa en 1962, establece el "Fondo Educacional Memorial Charles Warren y Denzil Slentz Thornthwaite" en su memoria.