Različne vrste meteoroloških orodij so instrumenti spodnje, srednje in zgornje atmosfere. Instrumenti za nižje atmosfere vključujejo termometre, barometre, merilnike dežja, anemometre in higrometre. Rakete in sateliti so instrumenti srednje atmosfere, instrumenti zgornje atmosfere pa so sestavljeni iz radiosond in ozonskih sond. Z uporabo različnih meteoroloških orodij je mogoče pridobiti splošne podatke za vremensko napoved, povprečja klimatoloških podatkov in podatke o temperaturi, vodni pari, profilih vetra in onesnaženosti.
Zgodnji ljudje so opazovali vreme in podnebje večinoma tako, da so preprosto gledali v nebo. Tedaj so bili izumljeni preprosti instrumenti, kot so vremenske lopatice, ki pa so bile dragocene le za merjenje klimatoloških podatkov, ne pa za merjenje podatkov za vremenske napovedi; ti preprosti instrumenti ne zagotavljajo natančnih meritev, ki so bistvenega pomena pri izdelavi vremenskih napovedi. Z izumom sodobnih meteoroloških orodij pa lahko kvantitativne meritve izvajajo profesionalni meteorologi. Znanstveniki se strinjajo, da je natančnost sodobnih meteoroloških orodij boljša za merjenje podatkov o klimatoloških, atmosferskih in vremenskih napovedih.
Instrument za merjenje temperature, imenovan termometer, je dveh vrst: mehanski in električni. Termometri za tekočino v steklu so mehanski, uporni termometri pa električni. Barometri, ki se uporabljajo pri merjenju teže zraka, znanstveno imenovani atmosferski tlak, se lahko razvrstijo kot živo srebro ali tisti, ki se uporabljajo v raziskovalnih laboratorijih, in aneroidi ali tisti, ki se uporabljajo v domovih in vremenskih postajah. Za namene kalibracije je potrebno redno preverjanje aneroidnega barometra glede na živosrebrni barometer. Poleg tega je mogoče iz aneroidnega barometra narediti snemalni instrument, imenovan barograf, tako da na njegov kazalec postavite pero.
Merilnik dežja, ki velja za najzgodnejše orodje za meteorologijo, je instrument, ki ga je enostavno sestaviti in meri količino padavin. V četrtem stoletju pred našim štetjem so bili najstarejši podatki o dežemerih zabeleženi v Indiji, kjer naj bi obstajala mreža zaradi zapisov o povprečju padavin na več območjih. Medtem ima instrument za merjenje hitrosti vetra, imenovan anemometer, “skodelice”, ki se vrtijo okoli gredi na sredini, ko jih veter premika. Vlažnost ali vsebnost vlage v zraku se lahko meri z uporabo higrometra. Dve vrsti higrometrov, ki jih uporabljajo meteorologi, sta psihrometer in absorpcijski higrometer.
Raketa je motor z notranjim zgorevanjem, ki nosi svoje gorivo in oksidant, zato lahko deluje znotraj in se uporablja za preučevanje zemeljske atmosfere. Primeri koristnih tovorov ali meteoroloških orodij, ki jih nosijo rakete, vključujejo senzorje tlaka in gostote. Medtem meteorologi uporabljajo vremenske satelite za opazovanje oblakov in vremenskih sistemov od zgoraj. Uporaba satelitskih podatkov je povzročila večjo natančnost vremenske napovedi.
Radiosonde so majhni radijski oddajniki, ki so bili razviti za zbiranje atmosferskih meritev in za prenos zbranih podatkov na vremenske postaje na Zemlji. Prejšnje različice so imele uro ali mlin na veter, ki je uporaben za takojšnje beleženje podatkov, medtem ko so sodobne različice opremljene z barometri, termometri in higrometri. Skupaj z instrumenti za merjenje ravni ozona, imenovanimi ozonske sonde, se radiosonde v ozračje prenašajo z balonom brez posadke.