跟踪天气实况有时像观察风向一样简单，但有时又像发射价值上亿元的卫星那样复杂。气象监测仍依赖一些基础测量的方法——气温、湿度、风和气压的观测。这些在几个世纪以来一直是气象学家工作的一部分，估测这些天气特征还十分复杂，但其变量是一致的。近几十年来这些现场收集的标准观测资料，可以通过大范围的遥感仪器完成。雷达、卫星和其他设备如今可对十几里、几百里乃至上千里以外的气象情况作出报告。
以往，气温用水银温度表或酒精温度表测量，但在17世纪初，最先使用的温度表则是利用空气和酒精。大气变热，液体膨胀，温度表内的液面上升。现在，数字温度计依靠在电路或电阻的电子属性内部变化。大多数气象站每24小时主要根据温度实况的变化，发布最高或最低温度的记录，美国采用华氏，其他地区则采用摄氏温标。
气象学家用气压表测量大气压力，大气压是地球引力将仪器上方的大气团向下拉动，在每单位面积所形成的力。典型的无液气压表测量直接作用于有一定真空的空管上的压力。现在更先进的气压表叫压电电阻表，它测量由大气作用在矽薄膜上的反作用力的变化。位于海拔1英里（16千米）的气象站可承受约85％的海平面大气压。这是由于它上空空气稀薄的原因。为摆脱因这种海拔高度造成的影响，气压表常读作一个海拔高度。这种转化是假定一个臆造的但又合理的实际高度同海平面之间的标准大气。
气压曾以水银柱高度（英寸）为单位。对水银气压表而言，由于大气压作用在水银管的周围，液体可在真空管内上升。海平面标准大气压为2992英寸水银柱高或以米制换算，约为1013毫巴（如果在经典气压表内加的是水而不是水银，那么该仪器需加长到三层楼那么高）。空气中的湿度用湿度计测定。它是一种利用头发、干羊肠筋或细金属丝根据相对湿度的变化而拉长或收缩的测湿仪。
另一种测湿法是用干湿球温度表，来测量露点温度。风向是主要的气象变量，利用它作为即将到来的天气征兆并将它记录下来。风向的一些记录可追溯到2000多年前，水平方向的风向可用罗盘刻度记录，360°代表北方，90°代表东方，180°代表南方，270°代表西方。用近似十进位制的方法记录或描述风吹来的方向。如东风转东南风或转西北风。
风速常用风速表测定。用一个螺旋桨或类似张开双臂一样的东西，迎着风，安上可计数的旋转球。一只压力风速表精确记录由风的作用，在开口端产生的动力压力。音波风速表利用测量风在吹过两个感应器之间的缝隙所产生的声音来测风。风速以时速”英里“来记录，也可用”节“，即时速自然”英里“的别称，相当于115英里／时。米制采用千米／时，或米／秒。由于风速每秒都可发生变化，现代的风速计包括一种软件，可在规定时间内测量平均的持续不变的风速以及狂风的威力。用电波声纳和风向剖面监测仪监控高空的风。
把其他用来预测气象变化的因素结合起来，天气现象包括能见度（几英里或几千米内）、云状和云高度以及在天空聚集的比例。以前的风力，一定时间内降雨量。最后还包括降雪厚度和雪中所含的水量。
至少每小时一次，全球气象台站进行地面观测并将观测结果发送到所在国家气象部门。
这些读数大多经加工几分钟内告之公众。这是国际间的合作及国际互联网的功劳。另外，自愿观测者们也控制近万家气象台站，每人每天进行一至两次观测。观测报告连同国际数据奠定气候观测的基础。
在过去几年里许多国家，包括日本和美国，对地面观察网站实行全部或大部分的自动化。这样，观测员只是为了检查和保养这些网站。这些网站配有最新技术水平的电子设备，经常在10～15分钟可传递一次观测结果。
在气象用气球发明之前，人们对大气运动的观测只是与地面有关。19世纪起，用气球作实验获得地面以上的大气运动状况，这些高度上气流对天气的运动和变化起到关键作用。
无线电问世于20世纪20年代，待到无线电探空仪的出现，那些有气象气球的台站改变了人们对高空大气的看法。最典型的就是无线电探空仪通过小型气压表确定气压并测量温度和湿度对电传导性的影响。随着无线电探空仪的上升，它用无线电发回报告，并根据某一地区探空仪的变化测定风速及风向。大约一小时后，一种特制无线电探空仪上升15英里（24千米）以上。气球膨胀最终爆炸。仪器包已完成使命，用一个微型降落伞把它降落到地面。
到了20世纪40年代，每天无线电探空仪传播的信息遍布全球。气象学家们很快就会算出高空急流和其他的特征。现在，全球每天都会发射1000个无线电探空仪，大部分在北半球。
雷达是最佳追踪器，在雷雨天里，可以跟踪风；也可以将雨和雪的区域绘咸地图。第一部雷达在二战期间研制并改进，随后变成民用雷达。雷达发送电磁信号，通常是微波，遇到雨滴、冰雹和雪花时就会返折回来；通过测算信号返回到雷达所需的时间及有多少信号返回来，科学家们可以算出降水区有多远，降水量有多大。
多普勒雷达在20世纪90年代被广泛使用，它利用返回信号的频率估测降水目标移动的速度——估测风吹动它们的速度。
在北美、欧洲和澳大利亚，人们经常收集从云层到地面闪电的资讯。它们用来区分和跟踪风暴以及森林大火的调查，还用在航空和其他领域。美国气象网站约有100组雷达天线网，探测云层到地面的脉冲信号的角度或到达的时间，每年都有两千万次以上这样的冲击。首次从地球到太空的想法改变了人们如何认识自己的家园，引发全球环境改变，也改变了气象学。从火箭拍摄的照片上表明全球云团网比人类预想的还要复杂。科学家们开始想象一种轨道卫星，它可以一直监视地球，到了20世纪60年代中期，科学家们的梦想实现了。卫星将地球拍成照片并在几分钟内发回信息。
基本有两种气象卫星：地面静止卫星即地球静止业务环境卫星，简称GDES；极地轨道卫星即极地控制环境卫星，简称POES。在地面静止轨道上，静止卫星距地面约22，000英里（35，000千米）的赤道上空，其运行速度与地球自转速度同步，几乎昼夜悬在一个地点上。地球余下区域由极地轨道卫星监测，它沿着从北到南一圈一圈地重复运行，每两小时在极地附近经过一次。
电视气象播报的卫星图片通常是地面静止卫星拍摄的照片，尽管白天也可见到它们，但常用红外线冲洗。从地球表面扩散的红外线可用来估测空气中的水汽。这是因为当红外线的波长达到67微米时，水汽极易吸收能量。水汽越多，来自地球的红外线在未到达卫星之前就越多地被吸收掉了。红外线释放也可用来测评云顶部的温度，它与风暴关系十分密切。
微波数据有许多特殊功能，由于微波可以穿透云层而丢失的能量少，例如，贯穿行星的冰和雪的出现是可以被跟踪的，因为结冻的水与陆地和液态的水所散发的微波频率不一样。
卫星寿命仅有几年——这给科学家发射新卫星提供革新的机会。经过过去20年的发展，人类对大气层的了解更广泛了，南极”臭氧空洞“每年的增减均已得到的监控，是根据从同温层到它上方的极地轨道卫星所反射的紫外线照射量而定。美国于1995年发射一种探测器用以监测云内部和从云到地面的闪电，测量结果表明：闪电还不及科学家们所料想的一半。一些卫星甚至携带雷达设备进入太空。这些设备是测量洋面的高度（水温的指数），以及大海的风暴潮（海面风速指南）。
人们常观测天气，但全球性的气象图每天只安排两次，即在世界时0000点和1200点——全球公认的24小时制。无线电探空仪也被发射，全套外表观测全都完成，全球各主要气象台站共同使用这种数据。所绘出的图表明在不同等压面（如在850，700和500毫巴）的风力，也表明来自无线电探空仪记录的温度、湿度和气压高。要详细审查这些数据，因为即使少数错误的观测，一旦进入计算机预测系统，就会造成严重损失。专门设计的软件查找在一般气象图中不相应的观测。类似的作法可以调节数据，使它们适应地图网格。这些格点被用于模式中用以由目前天气推断将来天气的形势。来自无线电探空仪的数据在图表上用标点标注，被称作热力探测。每次探测表明在某一指定地点上空从地面到对流层顶部温度和湿度的追踪调查。挨着探测是表示每个高度的风向和风速的箭头，标记同水平气象图表一样。探测可以用来计算降雨量和湿度及形成暴风雨的能量、雷暴旋转，进而生成龙卷的可能性。
大部分国外制造的卫星用于研究而不是用来预测天气。卫星在大气层不同的高度测量温度以弥补全球无线电探测网的不足。这种情况在海洋和南半球上空很正常，因为那里的无线电探测网太少了。