เครื่องมือทางอุตุนิยมวิทยา (หรือเครื่องมือวัดสภาพอากาศ ) รวมถึงเซ็นเซอร์ทางอุตุนิยมวิทยา ( เซ็นเซอร์สภาพอากาศ ) คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจสอบสภาพของบรรยากาศ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง แต่ละสาขาวิทยาศาสตร์มีชุดอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการเฉพาะของตนเอง อย่างไรก็ตาม อุตุนิยมวิทยาเป็นวิทยาศาสตร์ที่ไม่ได้ใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมากนัก แต่พึ่งพาการสังเกตการณ์ในสถานที่จริงและ อุปกรณ์ ตรวจวัดระยะไกล มากกว่า ในทางวิทยาศาสตร์ การสังเกต หรือสิ่งที่สังเกตได้คือแนวคิดเชิงนามธรรมที่สามารถวัดได้และสามารถเก็บข้อมูลได้ ฝนเป็นหนึ่งในปริมาณแรกๆ ที่ถูกวัดในประวัติศาสตร์ ตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับ สภาพอากาศ ที่วัดได้อย่างแม่นยำอีกสองตัว คือ ลมและความชื้น มีความพยายามมากมายก่อนศตวรรษที่ 15 ในการสร้างอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับการวัดตัวแปรในบรรยากาศ

อุปกรณ์แรกที่ใช้ในการวัดปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศ ได้แก่ เครื่องวัดปริมาณน้ำฝน เครื่องวัดความเร็วลมและเครื่องวัดความชื้นในศตวรรษที่ 17 มีการพัฒนาเครื่องวัดความดันบรรยากาศและเทอร์โมมิเตอร์ของกาลิเลโอ ขณะที่ศตวรรษที่ 18 มีการพัฒนาเทอร์โมมิเตอร์ที่มี มาตราส่วน ฟาเรนไฮต์และเซลเซียสในศตวรรษที่ 20 มีการพัฒนาเครื่องมือตรวจวัดระยะไกลแบบใหม่ เช่น เรดาร์ตรวจอากาศ ดาวเทียมตรวจอากาศ และเครื่องวัดความเร็วลม ซึ่งให้ข้อมูลการเก็บตัวอย่างที่ดีขึ้นทั้งในระดับภูมิภาคและระดับโลก เครื่องมือตรวจวัดระยะไกลจะรวบรวมข้อมูลจากเหตุการณ์สภาพอากาศที่อยู่ห่างจากเครื่องมือ และโดยทั่วไปจะจัดเก็บข้อมูลไว้ในตำแหน่งที่เครื่องมือตั้งอยู่ และมักจะส่งข้อมูลไปยังศูนย์ข้อมูลกลางในช่วงเวลาที่กำหนด

ในปี ค.ศ. 1441 เจ้าชายมุน จงพระโอรสของพระเจ้าเซจง ทรง ประดิษฐ์เครื่องวัดปริมาณน้ำฝนแบบมาตรฐานเครื่องแรก เครื่องวัดเหล่านี้ถูกส่งไปทั่วราชวงศ์โชซอนของเกาหลีใต้ในฐานะเครื่องมืออย่างเป็นทางการในการประเมินภาษีที่ดินโดยอิงจากผลผลิตที่เกษตรกรคาดว่าจะได้รับ ในปี ค.ศ. 1450 เลโอเน บัตติสตา อัลเบอร์ติได้พัฒนาเครื่องวัดความเร็วลมแบบแผ่นแกว่ง และเป็นที่รู้จักในฐานะเครื่องวัดความเร็วลมเครื่องแรก[ 1 ^{]ในปี}ค.ศ. 1607 กา ลิเลโอ กาลิเล อี ได้สร้างเทอร์โมสโคปในปี ค.ศ. 1643 เอวานเจลิสตา ตอร์ริเชลลีได้ประดิษฐ์บารอมิเตอร์ปรอท^{[ 1 ]}ในปี ค.ศ. 1662 เซอร์คริสโตเฟอร์ เรนได้ประดิษฐ์เครื่องวัดปริมาณน้ำฝนแบบถังเอียงที่สามารถเทน้ำออกได้เอง ในปี ค.ศ. 1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ได้สร้างมาตราส่วนที่เชื่อถือได้สำหรับการวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมมิเตอร์แบบปรอท^{[ 2 ]}ในปี ค.ศ. 1742 แอนเดอร์ส เซลเซียสนักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้เสนอมาตราส่วนอุณหภูมิ 'เซนติเกรด' ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของมาตราส่วนเซลเซียส ในปัจจุบัน ^{[ 3 ]} ในปี ค.ศ. 1783 ฮอเรซ-เบเนดิกต์ เดอ ซอสซูร์ได้สาธิตเครื่องวัดความชื้นแบบเส้นผมเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1806 ฟรานซิส โบฟอร์ต ได้นำเสนอ ระบบการจำแนกความเร็วลมของเขา^{[ 4 ]} การปล่อยดาวเทียมพยากรณ์อากาศดวงแรกที่ประสบความสำเร็จ TIROS-1 ในเดือนเมษายน ค.ศ. 1960ถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคที่ข้อมูลสภาพอากาศสามารถเข้าถึงได้ทั่วโลก

อุปกรณ์นี้ยังใช้ในการวัดอุณหภูมิของอากาศโดยรอบอีกด้วย

เทอร์โมมิเตอร์ใช้วัดอุณหภูมิ อากาศ หรือพลังงานจลน์ของโมเลกุลในอากาศ บารอมิเตอร์ใช้วัดความดันบรรยากาศหรือความดันที่เกิดจากน้ำหนักของชั้นบรรยากาศโลกเหนือตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง เครื่องวัด ความเร็วลมใช้วัดความเร็ว ลมและทิศทางลม ณ จุดที่ติดตั้ง เครื่องวัดความชื้นใช้วัดความชื้นสัมพัทธ์ณ ตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งสามารถนำไปใช้คำนวณจุดน้ำค้างได้ เครื่องตรวจวัดสภาพอากาศด้วยบอลลูนตรวจอากาศ (Radiosonde)วัดปริมาณเหล่านี้ส่วนใหญ่โดยตรง ยกเว้นลม ซึ่งวัดได้โดยการติดตามสัญญาณจากบอลลูนตรวจอากาศด้วยเสาอากาศหรือกล้องวัดมุม นอกจากนี้องค์การอุตุนิยมวิทยาโลก (WMO) ยัง จัดตั้งเครือข่ายเครื่องบินเก็บข้อมูลเพื่อรายงานสภาพอากาศในพื้นที่ของตนด้วยจรวดสำรวจหรือ จรวดตรวจอากาศ (Rocketsonde ) บางครั้งเรียกว่าจรวดวิจัย เป็นจรวดบรรทุกเครื่องมือที่ออกแบบมาเพื่อวัดค่าและทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ระหว่างการบินในวงโคจรย่อย

ไพราโนมิเตอร์ เป็น แอคติโนมิเตอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้วัดความเข้มของแสงอาทิตย์ แบบบรอดแบนด์ บนพื้นผิวเรียบ และเป็นเซนเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อวัดความหนาแน่นของฟลักซ์รังสีแสงอาทิตย์ (ในหน่วยวัตต์ต่อตารางเมตร) จากมุมมอง 180 องศาเซลิมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เลเซอร์หรือแหล่งกำเนิดแสงอื่นๆ ในการกำหนดความสูงของฐานเมฆ เซลิมิเตอร์ยังสามารถใช้ในการวัดความเข้มข้นของละอองลอยในชั้นบรรยากาศได้อีกด้วยบอลลูนวัดเพดาน เมฆ เป็นอุปกรณ์ที่นักอุตุนิยมวิทยาใช้ในการกำหนดความสูงของฐานเมฆเหนือระดับพื้นดินในช่วงเวลากลางวัน หลักการของบอลลูนวัดเพดานเมฆคือการใช้บอลลูนที่มีอัตราการลอยตัวที่ทราบ (ความเร็วในการลอยขึ้น) และกำหนดระยะเวลาที่บอลลูนลอยขึ้นจนกระทั่งหายไปในเมฆ อัตราการลอยตัวคูณด้วยระยะเวลาการลอยตัวจะได้ความสูงของเพดานเมฆดิสโดรมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดการกระจายขนาดและความเร็วของ หยด น้ำฝน ที่ตกลง มา เครื่องวัดปริมาณน้ำฝนใช้ในการวัดปริมาณน้ำฝนที่ตกลงมา ณ จุดใดๆ บนพื้นดินของโลก

การสำรวจระยะไกล (Remote sensing) ที่ใช้ในด้านอุตุนิยมวิทยา คือแนวคิดของการเก็บรวบรวมข้อมูลจากเหตุการณ์สภาพอากาศที่อยู่ห่างไกล และนำมาสร้างเป็นข้อมูลสภาพอากาศ เครื่องมือสำรวจระยะไกลแต่ละชนิดจะเก็บรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศจากสถานที่ห่างไกล และโดยปกติจะจัดเก็บข้อมูลไว้ในตำแหน่งที่เครื่องมือตั้งอยู่ ประเภทของการสำรวจระยะไกลที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่เรดาร์ไลดาร์และดาวเทียม (รวมถึงโฟโตแกรมเมตรี ) การใช้งานหลักของเรดาร์คือการเก็บรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการครอบคลุมและลักษณะของปริมาณน้ำฝนและลมดาวเทียมส่วนใหญ่ใช้ในการกำหนดปริมาณเมฆปกคลุม รวมถึงลมโซดาร์ ( SO nic D etection A nd R anging) เป็นเครื่องมือทางอุตุนิยมวิทยาชนิดหนึ่งที่ใช้วัดความเร็วลม โดยวัดการกระเจิงของคลื่นเสียงจากความปั่นป่วนในชั้นบรรยากาศ ระบบโซดาร์ใช้ในการวัดความเร็วลมที่ระดับความสูงต่างๆ เหนือพื้นดิน และ โครงสร้าง ทางอุณหพลศาสตร์ของชั้นบรรยากาศด้านล่าง เรดาร์และไลดาร์ไม่ใช่เครื่องมือแบบพาสซีฟ เพราะทั้งสองใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในการส่องสว่างส่วนใดส่วนหนึ่งของชั้นบรรยากาศ^{[ 5 ]} ดาวเทียมตรวจอากาศพร้อมกับดาวเทียมสังเกตการณ์โลกทั่วไปที่โคจรรอบโลกในระดับความสูงต่างๆ ได้กลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย ตั้งแต่ไฟป่าไปจนถึงเอลนีโญ

สถานีตรวจวัดสภาพอากาศคือสถานที่ที่มีเครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับสังเกต สภาพ บรรยากาศเพื่อให้ได้ข้อมูลสำหรับการพยากรณ์อากาศและการศึกษาภูมิอากาศการวัดที่ได้ประกอบด้วยอุณหภูมิความดันบรรยากาศความชื้นความเร็วลมทิศทางลมและปริมาณน้ำฝน การวัดความเร็วลมจะทำในที่ที่ปราศจากสิ่งกีดขวางมากที่สุด เท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่การวัดอุณหภูมิและความชื้นจะทำในที่ที่ปราศจากรังสีจากดวงอาทิตย์โดยตรงการสังเกตด้วยตนเองจะทำอย่างน้อยวันละครั้ง ในขณะที่การสังเกตอัตโนมัติจะทำอย่างน้อยชั่วโมงละครั้ง

การสังเกตการณ์สภาพอากาศบนพื้นผิวเป็นข้อมูลพื้นฐานที่ใช้เพื่อความปลอดภัยและเหตุผลทางด้านภูมิอากาศ ใน การพยากรณ์อากาศและออกคำเตือนทั่วโลก^{[ 6 ]}สามารถทำได้ด้วยตนเองโดยผู้สังเกตการณ์สภาพอากาศ โดยคอมพิวเตอร์ผ่านการใช้สถานีตรวจวัดสภาพอากาศอัตโนมัติ หรือในรูปแบบผสมผสานโดยใช้ผู้สังเกตการณ์สภาพอากาศเพื่อเสริมสถานีตรวจวัดสภาพอากาศอัตโนมัติ องค์การการ บินพลเรือนระหว่างประเทศ (ICAO)กำหนดบรรยากาศมาตรฐานสากลซึ่งเป็นแบบจำลองของการเปลี่ยนแปลงมาตรฐานของความดัน อุณหภูมิความหนาแน่นและความหนืดตามระดับความสูงในชั้นบรรยากาศของโลก และใช้เพื่อลดความดันของสถานีให้เหลือความดันระดับน้ำทะเล การสังเกตการณ์ที่สนามบินสามารถส่งไปทั่วโลกได้โดยใช้ รหัสการสังเกตการณ์ METAR สถานีตรวจวัดสภาพอากาศส่วนบุคคลที่ทำการสังเกตการณ์อัตโนมัติสามารถส่งข้อมูลไปยัง เครือข่ายเมโซเน็ตของสหรัฐอเมริกาผ่านการใช้โปรแกรมผู้สังเกตการณ์สภาพอากาศพลเมือง (CWOP) หรือในระดับสากลผ่านเว็บไซต์Weather Underground ^{[ 7 ]}โดยทั่วไปจะใช้ค่าเฉลี่ยสามสิบปีของการสังเกตการณ์สภาพอากาศของสถานที่นั้นๆ เพื่อกำหนดสภาพภูมิอากาศของสถานี^{[ 8 ]}

• เมโซเมอริก
• บอลลูนตรวจอากาศ
• เครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย