Искусство прогнозирования погоды началось с ранних цивилизаций, которые использовали повторяющиеся астрономические и метеорологические события, чтобы помочь им отслеживать сезонные изменения погоды. Около 650 г. до н.э. вавилоняне пытались предсказать краткосрочные изменения погоды на основе появления облаков и оптических явлений, таких как нимбы. К 300 г. до н.э. китайские астрономы разработали календарь, в котором год был разделен на 24 праздника, каждый из которых был связан с определенным типом погоды.
Около 340 г. до н.э. греческий философ Аристотель написал Meteorologica, философский трактат, включающий теории о формировании дождя, облаков, града, ветра, грома, молний и ураганов. Кроме того, были затронуты такие темы, как астрономия, география и химия. Аристотель сделал несколько замечательно точных наблюдений относительно погоды, наряду с некоторыми существенными ошибками, и его четырехтомный текст считался многими авторитетным в теории погоды в течение почти 2000 лет. Хотя многие утверждения Аристотеля были ошибочными, многие из его идей были опровергнуты только в 17 веке.
На протяжении веков делались попытки составить прогнозы на основе данных о погоде и личных наблюдений. Однако к концу Возрождения становилось все более очевидным, что предположения естествоиспытателей неадекватны и что необходимы более глубокие знания для дальнейшего понимания атмосферы. Для этого потребовались инструменты для измерения таких свойств атмосферы, как влажность, температура и давление. Первая известная в западной цивилизации конструкция гигрометра, прибора для измерения влажности воздуха, была описана Николасом Кузой (около 1401–1464, немец) в середине пятнадцатого века. Галилео Галилей (1564–1642, итальянец) изобрел первый термометр в 1592 году или вскоре после этого; и Евангелиста Торричелли (1608–1647, итальянец) изобрели барометр для измерения атмосферного давления в 1643 году.
В то время как эти метеорологические инструменты совершенствовались в течение семнадцатого-девятнадцатого веков, другие связанные с ними наблюдательные, теоретические и технологические разработки также внесли свой вклад в наши знания об атмосфере; и люди в разрозненных местах начали делать и регистрировать атмосферные измерения. Изобретение телеграфа и появление телеграфных сетей в середине девятнадцатого века позволило рутинную передачу данных наблюдений за погодой наблюдателям и составителям. Используя эти данные, были составлены приблизительные карты погоды, и можно было определить и изучить характер приземного ветра и штормовые системы. Станции наблюдений за погодой начали появляться по всему миру, что в конечном итоге привело к рождению синоптического прогноза погоды, основанного на компиляции и анализе множества наблюдений, выполненных одновременно на обширной территории в 1860-х годах.
С формированием региональных и глобальных сетей метеорологических наблюдений в девятнадцатом и двадцатом веках стало доступно больше данных для прогнозирования погоды на основе наблюдений. Большой прогресс в наблюдении за погодой на больших высотах был сделан в 1920-х годах с изобретением радиозонда. Небольшие легкие боксы, оснащенные метеорологическими приборами и радиопередатчиком, радиозонды уносятся высоко в атмосферу на воздушном шаре, наполненном водородом или гелием, который поднимается на высоту около 30 километров, прежде чем взорваться. Во время подъема эти инструменты передают данные о температуре, влажности и давлении (называемые зондированием) обратно на наземную станцию. Там данные обрабатываются и становятся доступными для построения карт погоды или вставки в компьютерные модели для прогнозирования погоды. Сегодня радиозонды запускаются каждые 12 часов с сотен наземных станций по всему миру.