Метеоролог, основоположник русской климатологии. В 1866 г. стал членом Императорского русского географического общества, с которым была связана его дальнейшая научная и общественная деятельность. В 1872 г. Воейков исследовал территорию Буковины, Румынии, Галиции, Венгрии.
В 1873-1876 гг совершил большие путешествия в Америку, Индии, Китая, Японии, был на Цейлоне и Яве. Впоследствии исследователь изучал другие районы, в частности, Южный Урал и Крым. Результаты наблюдений и опытов стали неоценимым материалом для многочисленных научных статей и очерков.
В 1884 г. Воейков стал приват-доцентом кафедры физической географии Санкт-Петербургского университета. В 1884 г. была издана капитальный труд «Климаты земного шара, в частности России», в которой ученый дал не только блестящие описания системы климатов, но и впервые поставил задачу выявить сущность метеорологических явлений и структуры климатических процессов. Этот труд содержит первое фундаментальное исследование циркуляции атмосферы. Воейков также первым начал детальное изучение климатических изменений в геологическом разрезе, положив начало развитию новой науки - палеоклиматологии.
Научное наследие ученого (1700 названий) вошли такие работы, как «Климат Полесья», «Климат восточного побережья Черного моря», «Метеорология для средних учебных заведений» и другие.