Οι διάφοροι τύποι εργαλείων μετεωρολόγων είναι τα όργανα κατώτερης, μέσης και ανώτερης ατμόσφαιρας. Τα όργανα χαμηλότερης ατμόσφαιρας περιλαμβάνουν θερμόμετρα, βαρόμετρα, βροχόμετρα, ανεμόμετρα και υγρόμετρα. Οι πύραυλοι και οι δορυφόροι αποτελούν τα όργανα της μεσαίας ατμόσφαιρας, ενώ τα όργανα ανώτερης ατμόσφαιρας αποτελούνται από ραδιοφωνικούς ήχους και οζονοσόντες. Κατά τη χρήση των διαφόρων εργαλείων μετεωρολόγων, μπορούν να ληφθούν συνολικά δεδομένα για την πρόγνωση του καιρού, μέσοι όροι κλιματολογικών δεδομένων και δεδομένα σχετικά με τη θερμοκρασία, τους υδρατμούς, τα προφίλ ανέμου και τη ρύπανση.
Οι πρώτοι άνθρωποι έκαναν παρατηρήσεις σχετικά με τον καιρό και το κλίμα κυρίως κοιτάζοντας απλώς τους ουρανούς. Στη συνέχεια εφευρέθηκαν απλά όργανα, όπως ανεμοδείκτες, αλλά ήταν πολύτιμα μόνο για τη μέτρηση κλιματολογικών δεδομένων, όχι για τη μέτρηση δεδομένων για προγνώσεις καιρού. Αυτά τα απλά όργανα δεν παρέχουν ακριβείς μετρήσεις, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση προγνώσεων καιρού. Με την εφεύρεση των σύγχρονων μετεωρολογικών εργαλείων, ωστόσο, μπορούν να γίνουν ποσοτικές μετρήσεις από επαγγελματίες μετεωρολόγους. Οι επιστήμονες συμφωνούν ότι η ακρίβεια των σύγχρονων εργαλείων μετεωρολόγων είναι ανώτερη για τη μέτρηση κλιματολογικών, ατμοσφαιρικών και καιρικών δεδομένων.
Το όργανο μέτρησης θερμοκρασίας που ονομάζεται θερμόμετρο είναι δύο τύπων: μηχανικό και ηλεκτρικό. Τα θερμόμετρα υγρού σε γυαλί είναι μηχανικά, ενώ τα θερμόμετρα αντίστασης είναι ηλεκτρικά. Τα βαρόμετρα που χρησιμοποιούνται στη μέτρηση του βάρους του αέρα, που επιστημονικά αποκαλούνται ως ατμοσφαιρική πίεση, μπορούν να ταξινομηθούν ως υδράργυρος ή σε ερευνητικά εργαστήρια και ως ανεροειδές ή σε σπίτια και μετεωρολογικούς σταθμούς. Απαιτείται τακτικός έλεγχος ενός βαρόμετρου ανεροειδούς έναντι ενός βαρόμετρου υδραργύρου για λόγους βαθμονόμησης. Επιπλέον, ένα βαρόμετρο ανεροειδούς μπορεί να μετατραπεί σε ένα όργανο εγγραφής που ονομάζεται βαρόγραφο, τοποθετώντας ένα στυλό στον δείκτη του.
Θεωρούμενο το αρχαιότερο από τα εργαλεία των μετεωρολόγων, το βροχόμετρο είναι ένα εύκολο στην κατασκευή όργανο που μετρά την ποσότητα της βροχόπτωσης. Τον τέταρτο αιώνα π.Χ., τα παλαιότερα δεδομένα βροχομέτρου καταγράφηκαν στην Ινδία, όπου πιστεύεται ότι υπήρχε δίκτυο λόγω των καταγραφών των μέσων βροχοπτώσεων σε διάφορες περιοχές. Εν τω μεταξύ, το όργανο μέτρησης της ταχύτητας του ανέμου που ονομάζεται ανεμόμετρο έχει «κύπελλα» που περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα στη μέση καθώς τα κινεί ο άνεμος. Η υγρασία, ή η περιεκτικότητα σε υγρασία του αέρα, μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα υγρόμετρο. Οι δύο τύποι υγρόμετρων που χρησιμοποιούνται από τους μετεωρολόγους είναι το ψυχόμετρο και το υγρόμετρο απορρόφησης.
Ένας πύραυλος είναι ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης που φέρει το δικό του καύσιμο και οξειδωτικό, γι’ αυτό μπορεί να λειτουργήσει μέσα και να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της ατμόσφαιρας της Γης. Παραδείγματα ωφέλιμων φορτίων ή εργαλείων μετεωρολόγων που μεταφέρουν οι πύραυλοι, περιλαμβάνουν αισθητήρες πίεσης και πυκνότητας. Εν τω μεταξύ, οι μετεωρολογικοί δορυφόροι χρησιμοποιούνται από τους μετεωρολόγους για να παρατηρούν τα σύννεφα και τα καιρικά συστήματα από ψηλά. Η χρήση δορυφορικών δεδομένων είχε ως αποτέλεσμα την αυξημένη ακρίβεια των καιρικών προγνώσεων.
Οι ραδιοφωνικοί πομποί είναι μικροί ραδιοπομποί που αναπτύχθηκαν για τη συλλογή ατμοσφαιρικών μετρήσεων και τη μετάδοση δεδομένων που συλλέγονται σε μετεωρολογικούς σταθμούς στη Γη. Οι προηγούμενες εκδόσεις είχαν ένα ρολόι ή ανεμόμυλο που είναι χρήσιμο για την άμεση καταγραφή δεδομένων, ενώ οι σύγχρονες εκδόσεις είναι εξοπλισμένες με βαρόμετρα, θερμόμετρα και υγρόμετρα. Μαζί με τα όργανα μέτρησης της στάθμης του όζοντος που ονομάζονται όζονες, οι ραδιοφωνικοί σωλήνες μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα από ένα μη επανδρωμένο μπαλόνι.