Različite vrste meteoroloških alata su instrumenti za donju, srednju i gornju atmosferu. Instrumenti za nižu atmosferu uključuju termometre, barometre, kišomjere, anemometre i higrometre. Rakete i sateliti čine instrumente srednje atmosfere, dok se instrumenti gornje atmosfere sastoje od radiosonda i ozonsonda. Korištenjem različitih meteoroloških alata mogu se dobiti ukupni podaci za vremensku prognozu, prosjeci klimatoloških podataka i podaci o temperaturi, vodenoj pari, profilima vjetra i onečišćenju.
Rani ljudi su promatrali vrijeme i klimu uglavnom jednostavnim gledanjem u nebo. Tada su izumljeni jednostavni instrumenti kao što su vremenske lopatice, ali su bile vrijedne samo za mjerenje klimatoloških podataka, ne i za mjerenje podataka za vremensku prognozu; ovi jednostavni instrumenti ne daju točna mjerenja, koja su neophodna za izradu vremenske prognoze. S izumom suvremenih meteoroloških alata, međutim, kvantitativna mjerenja mogu obavljati profesionalni meteorolozi. Znanstvenici se slažu da je točnost suvremenih meteoroloških alata superiorna za mjerenje klimatskih, atmosferskih i vremenskih prognoznih podataka.
Instrument za mjerenje temperature koji se naziva termometar ima dvije vrste: mehanički i električni. Termometri s tekućinom u staklu su mehanički, dok su otporni termometri električni. Koristeći se u mjerenju težine zraka, znanstveno nazvan atmosferskim tlakom, barometri se mogu klasificirati kao živa, ili oni koji se koriste u istraživačkim laboratorijima, i aneroidi, ili oni koji se koriste u domovima i meteorološkim stanicama. Za potrebe kalibracije potrebna je redovita provjera aneroidnog barometra u odnosu na živin barometar. Dodatno, aneroidni barometar može se napraviti u instrument za snimanje koji se zove barograf postavljanjem olovke na njegov pokazivač.
Smatra se najranijim meteorološkim alatima, kišomjer je instrument koji se lako konstruira i mjeri količinu oborina. U četvrtom stoljeću prije Krista, najstariji kišomjerni podaci zabilježeni su u Indiji, gdje se vjeruje da je postojala mreža zbog zapisa prosjeka oborina u nekoliko područja. U međuvremenu, instrument za mjerenje brzine vjetra nazvan anemometar ima “šalice” koje se rotiraju oko osovine u sredini dok ih vjetar pomiče. Vlažnost, odnosno sadržaj vlage u zraku, može se izmjeriti pomoću higrometra. Dvije vrste higrometara koje koriste meteorolozi su psihrometar i apsorpcijski higrometar.
Raketa je motor s unutarnjim izgaranjem koji nosi vlastito gorivo i oksidant, zbog čega može raditi unutar i koristiti se za proučavanje Zemljine atmosfere. Primjeri nosivosti ili meteoroloških alata koje rakete nose uključuju senzore tlaka i gustoće. U međuvremenu, meteorolozi koriste vremenske satelite za promatranje oblaka i vremenskih sustava odozgo. Korištenje satelitskih podataka rezultiralo je povećanom preciznošću vremenske prognoze.
Radiosonde su mali radio odašiljači koji su razvijeni za prikupljanje atmosferskih mjerenja i za prijenos podataka prikupljenih meteorološkim postajama na Zemlji. Ranije verzije imale su sat ili vjetrenjaču koja je korisna za trenutno snimanje podataka, dok su moderne verzije opremljene barometrima, termometrima i higrometrima. Zajedno s instrumentima za mjerenje razine ozona koji se nazivaju ozonsonde, radiosonde se u atmosferu prenose balonom bez posade.