Hervé Douville a effectué l'essentiel de sa carrière en tant que chercheur au sein de l'unité Climat du Centre national de recherches météorologiques. Il a d'abord travaillé sur la modélisation des surfaces continentales, l'étude de leurs interactions avec l'atmosphère, et l'évaluation des sources de prévisibilité associées. Il s'est ensuite intéressé aux conséquences des activités humaines sur le climat global et régional, notamment la circulation atmosphérique, le cycle de l'eau et les événements extrêmes associés. Il a par ailleurs été auteur coordinateur de l'un des chapitres du 6ème rapport du GIEC (AR6 WG1 Ch8).
