Berbagai jenis alat meteorologi adalah instrumen atmosfer bawah, tengah, dan atas. Instrumen atmosfer yang lebih rendah termasuk termometer, barometer, pengukur hujan, anemometer, dan higrometer. Roket dan satelit merupakan instrumen atmosfer tengah, sedangkan instrumen atmosfer atas terdiri dari radiosonde dan ozonesondes. Dalam menggunakan berbagai alat meteorologi, data keseluruhan untuk prakiraan cuaca, rata-rata data klimatologi, dan data tentang suhu, uap air, profil angin, dan polusi dapat diperoleh.
Manusia purba melakukan pengamatan tentang cuaca dan iklim sebagian besar hanya dengan melihat ke langit. Instrumen sederhana seperti baling-baling cuaca kemudian telah ditemukan, tetapi mereka hanya berguna untuk mengukur data klimatologis, bukan untuk mengukur data prakiraan cuaca; instrumen sederhana ini tidak memberikan pengukuran yang akurat, yang penting dalam membuat prakiraan cuaca. Namun, dengan penemuan alat meteorologi modern, pengukuran kuantitatif dapat dilakukan oleh ahli meteorologi profesional. Para ilmuwan sepakat bahwa keakuratan alat meteorologi modern lebih unggul untuk mengukur data prakiraan klimatologi, atmosfer, dan cuaca.
Alat pengukur suhu yang disebut termometer terdiri dari dua jenis: mekanik dan listrik. Termometer cairan dalam gelas bersifat mekanis, sedangkan termometer hambatan bersifat elektrik. Digunakan dalam mengukur berat udara, secara ilmiah disebut sebagai tekanan atmosfer, barometer dapat diklasifikasikan sebagai merkuri, atau yang digunakan di laboratorium penelitian, dan aneroid, atau yang digunakan di rumah dan stasiun cuaca. Pemeriksaan barometer aneroid secara teratur terhadap barometer merkuri diperlukan untuk tujuan kalibrasi. Selain itu, barometer aneroid dapat dibuat menjadi alat perekam yang disebut barograf dengan menempatkan pena ke penunjuknya.
Dianggap sebagai alat meteorologi paling awal, pengukur hujan adalah instrumen yang mudah dibuat untuk mengukur jumlah curah hujan. Pada abad keempat SM, data pengukur hujan tertua tercatat di India, di mana keberadaan jaringan diyakini telah ada karena catatan rata-rata curah hujan di beberapa daerah. Sementara itu, alat pengukur kecepatan angin yang disebut anemometer memiliki “cangkir” yang berputar di sekitar poros di tengah saat angin menggerakkannya. Kelembaban, atau kadar air udara, dapat diukur dengan menggunakan higrometer. Dua jenis higrometer yang digunakan oleh ahli meteorologi adalah psikrometer dan higrometer serapan.
Roket adalah mesin pembakaran internal yang membawa bahan bakar dan oksidatornya sendiri, itulah sebabnya ia dapat beroperasi di dalam dan digunakan untuk mempelajari atmosfer bumi. Contoh muatan, atau alat meteorologi yang dibawa roket, termasuk sensor tekanan dan kepadatan. Sedangkan satelit cuaca digunakan oleh para ahli meteorologi untuk mengamati awan dan sistem cuaca dari atas. Penggunaan data satelit telah menghasilkan peningkatan akurasi prakiraan cuaca.
Radiosonde adalah pemancar radio kecil yang dikembangkan untuk mengumpulkan pengukuran atmosfer dan mengirimkan data yang dikumpulkan ke stasiun cuaca di Bumi. Versi sebelumnya memiliki jam atau kincir angin yang berguna untuk merekam data secara instan, sedangkan versi modern dilengkapi dengan barometer, termometer, dan higrometer. Bersama dengan alat pengukur tingkat ozon yang disebut ozonesondes, radiosonde dibawa ke atmosfer oleh balon tak berawak.