经过多年的发展，我国已初步建立了地基、空基和天基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的综合气象观测系统。
综合气象观测系统地基观测系统
地基观测系统主要由地面气象观测、地基气候系统观测、地基遥感探测、地基大气边界层观测、地基中高层大气和空间天气监测、地基移动气象观测、地基气象观测运行监控和技术保障等组成。
（a）地面气象观测系统
截至2010年底，我国气象部门共建有国家级地面气象观测站2418个，全部实现了基本气象要素自动化观测；另外各省还建成了区域加密气象观测站30347个，主要开展降水、温度和风向风速的观测。
地面气象观测系统按所承担的观测任务和作用分为国家基准气候站、国家基本气象站、国家一般气象站以及区域气象观测站。
国家基准气候站根据国家气候区划以及全球气候观测系统的要求，为获取具有充分代表性的长期、连续资料而设置的气候观测站，是国家气候站网的骨干。进行24次定时观测（人工和自动），每小时上传一次地面气象观测资料。
国家基本气象站根据全国气候分析和天气预报的需要所设置的地面气象观测站，大多担负区域或国家气象信息交换任务，是国家天气气候站网的主体。每天定时进行8次人工观测，每小时上传一次自动站观测资料。
国家一般气象站主要是按省行政区划设置的地面气象观测站，获取的观测资料主要用于本省和当地的气象服务，也是国家天气气候站网的补充。每天定时进行3次人工观测，每小时上传一次自动站观测资料。
区域气象观测站是为了满足不同部门特殊服务的需要，或用于天气气候站网的空间加密而设立的气象站，可以是人工观测站或无人气象观测站。观测项目和发报时次可根据需要而设定。
另外，近年来提出的国家气候观象台是开展长期、连续、基准和综合观测的气象观测站，并承担综合观测试验和科学研究任务。其建设以具有较好区域气候观测代表性、准确性，观测环境得到长期保护的国家级气象观测站为目标。
（b）辐射观测系统
截至2010年底，全国共有100个辐射观测站，分为基准辐射站、一级站、二级站和三级站。根据不同的需求，开展太阳总辐射、散射辐射、太阳直接辐射、反射辐射和净全辐射观测等业务。
其中基准辐射站能够长期自动监测几种能反映气候变化特征的要素，作为我国的辐射测量基准并用于其他太阳辐射资料的校准，并同时具备高可靠性、高准确性、易维护、易备份等特点。
（c）风能观测系统
风能是一种可再生的自然资源，储量非常巨大，风力发电是风能利用的最重要形式。风能观测是风能利用的基础，风能观测用来进行风能资源的评估，调查该地每年刮风的时间长短和强度，风能观测的具体因子有风速、风向、风能密度和湍流度。
2009年全国由329座70米、68座100米和3座120米测风塔组成的风能观测网，已全部建成，主要覆盖西北、华北、东北以及东部沿海风能资源丰富地区，并兼顾其他具有风能资源开发潜力的内陆地区。
（d）地基雷电探测系统
雷电监测定位系统由探测仪、中心数据处理站、图形显示工作站、数据库与网络浏览服务器、通讯系统组成，其中探测站均为一体结构，放在野外场地，只需电源、通讯接入即可。
中国气象局《国家闪电监测系统》规划在全国范围内建设350个云地闪探测仪，截至2010年11月30日已建国家雷电观测网观测站301个。现已初步建立了国家雷电数据处理中心，进行定位处理，形成雷电监测产品和国家雷电数据库，并将实时数据供全国共享。
（e）多普勒天气雷达
用来探测大气中降水区的位置、分布、强弱及其变化的雷达称为天气雷达或测雨雷达。我国天气雷达发展大体上经历了从模拟天气雷达、数字天气雷达到多普勒天气雷达三个发展阶段。
到20世纪末，随着国际天气雷达技术发展的新趋势和国家需求的增长，我国确定了发展新一代天气雷达（即多普勒天气雷达）的思路。新一代天气雷达是研究云和降水物理学、云动力学，监测分析和预警中尺度灾害性天气最有效的工具之一。 在2009年5月国家发改委又批复新增58部多普勒天气雷达，使计划在全国布设的新一代多普勒天气雷达数量达到了215部。目前2010年底，已经完成了168部新一代天气雷达建设。
（f）风廓线雷达
风廓线雷达以晴空湍流作为探测目标，实现高频度的三维测风，实现无球高空风探测。
国内风廓线雷达技术最早开发于20世纪80年代末，随后一些研究单位和企业又相继研制成功低平流层风廓线雷达、边界层风廓线雷达，投入科学试验和业务试用。到2010年10月底前，中国气象局所属部门已布设33部风廓线雷达，用于业务试点、科研和应急观测。其中，对流层风廓线雷达7部，固定边界层风廓线雷达11部，移动边界层风廓线雷达15部。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品。
（g）GPS/MET观测系统
GPS/MET被称为GPS气象学，即通过测量穿过空间/大气层的GPS信号的延迟来获得大气/空间环境中的各种参数，包括大气温、压、湿以及电离层等信息。以GPS接收机所在的位置可分为地基和空（天）基GPS/MET。
地基GPS/MET技术从20世纪80年代发展以来，伴随GPS的快速发展，得到广泛应用，技术日益成熟，已经从科学研究领域进入日常业务运行。
2009年，我国能够接收到345个GPS/MET站点上传的数据（包括外部门）。其中，列入中国气象局业务考核的站点158个，实现对大气的水汽含量及分布的测量。
（h）微波辐射计
地基微波辐射计具有测量大气水汽和云液态水垂直积分量及分布的能力。至今除了飞机探测以外，在测量云垂直液态水总量（LWP）的方法中，被动微波遥感被认为是最精确的方法。
（i）移动气象观测
移动气象观测系统是根据气象业务服务的需要，及时赶赴观测现场，开展气象观测服务业务，具有机动性强、全天候综合观测的特点，以汽车、火车、船舶、飞机、气球、飞艇等各种地面和空中的移动载体为观测平台，配置多种气象观测仪器设备。
我国的气象部门机动观测系统正在发展之中。全国已初步建立了196套包括移动雷达、移动自动站、移动探空、移动风廓线仪和移动大气成分观测系统等应急移动探测系统，在应对突发气象灾害监测预警服务中发挥很大的作用。
（j）农业气象观测系统
农业气象观测是指对农业气象要素和农业生产的对象和过程同时进行平行的观察、测定和记载，主要包括农业气象要素观测，农业气候观测，农作物、牧草、畜禽、经济林木发育期和生长状况观测，自然物侯观测以及农牧业气象灾害观测等。
近年来我国农业气象业务得到较快的发展，但与当代农业和社会经济发展的需求相比，观测项目观测仪器都不能满足各地新农村建设的需求，对生态方面的业务观测较为薄弱。
2009年，全国农业气象观测站653个，分国家一级和二级，主要集中组织对国民经济影响较大的几种作物（主要是粮、棉、油）、畜牧业和林业气象的观测。同时，截至2010年11月30日，全国已完成1333套自动土壤水分观测仪的建设工作，初步形成全国自动土壤水分观测网。
（k）大气成分观测系统
人类活动排放的各类大气成分导致气候变化，包括平流层臭氧减少、空气污染、城市光化学烟雾、酸雨、二氧化碳增加引起全球变暖等，不但严重影响着国家经济发展和人民生活质量，也是国际环境外交的重要议题。大气成分观测系统着眼于气溶胶质量浓度，数浓度、吸收特性、散射特性、光学厚度等要素的观测，增强对我国不同区域各类大气成分，特别是对气候和环境变化有重大影响关键大气成分要素的长期、系统观测能力，为我国气候预测、预估以及区域大气污染预报和控制提供基础数据。
我国现已建成了4个大气本底站，并正在新建3个大气本底站，28个大气成分观测站，29个沙尘暴站，342个酸雨观测站。其中我国的瓦里关全球本底站是全球24个全球大气观测系统（GAW）站点之一，建站以来取得显著成果，在国际上具有较高影响。
（l）近地层通量观测系统
通量是通量密度的简称，是一种物理学用语，指单位时间内通过特定界面单位面积所输送的热量（能量）、动量和物质等物理量的度量。近地层通量观测系统是在不低于32 m的边界层观测铁塔上、地表以及一定深度以下部分进行观测，主要包括近地层大气湍流脉动风、脉动温度、脉动湿度，多层气温、湿度、风速、方向、土壤温度、土壤水分、土壤热通量、地下水位，以及长、短波辐射等要素的观测，为获得湍流通量、土壤热通量和辐射的通量提供基本数据资料。
长期以来，我国在世界CO2、水和热通量长期观测网络研究领域还是空白。2002年中国科学院开始创建中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX），但目前我国气象部门还没有正式业务运行的通量观测网络。
（m）海洋气象观测
全球海洋观测系统可以分为两大组成部：:一类与大洋有关;另一类与近海有关。我国海洋部门已初步建成了由海洋观测站、志愿观测船、浮标观测、海洋调查船、全国海洋验潮网、岸基测冰雷达、“中国海监”飞机组成的海洋监测系统，其中海洋环境观测站73个，志愿观测船200多艘，我国的国际大洋观测计划（ARGO）浮标站17个。
目前我国海洋-大气观测分属于气象、海洋、渔业、海军、石油等部门，缺乏统一的规划；缺乏完整的观测和科学数据共享体系；现有海洋站的平均站距(300多千米)分布不均匀，特别是沿海经济开发密集区中站点过于稀少。
中国气象局发展海洋气象观测网，近期主要以近海为主。目前正在南海完善和建立海洋观测，包括七大观测体系，即综合观测基地体系；浮标阵列（包括Atlas，ARGO浮标、XBT）；风廓线雷达、GPS/MET体系；船舶走航观测体系；高空、地面、雷达及自动气象站观测体系；卫星遥感监测体系；海岛热带生态观测体系。
综合气象观测系统空基观测系统
空基观测系统主要由气球探测、飞机探测和火箭探测组成。
（a）气球探测
我国有常规高空探测站120个（含1个单测风站），平均站距300 km左右，其中全球资料交换站87个，全球交换的高空气候月报资料站14个，GCOS站7个。2002年我国开始用L波段探空系统替代59-701探空系统。截止2011年1月1日，全国已有119个探空站采用L波段雷达探空系统。
L波段探空系统基本实现了高空观测跟踪、接收、处理的自动化，业务运行可靠性好。
另外一种气球探测系统为GPS探空系统，它采用高性能的传感器和GPS测风技术。我国气象事业总体规划中将GPS探空系统确定为新一代探空系统，目前正在开展我国国产GPS探空系统样机考核。
（b）飞机探测
飞机气象观测技术是20世纪60年代发展起来的新技术。我国开展飞机大气探测始于1957年，到目前为止，仅用于人工影响天气常规作业以及对酸雨和气溶胶的少量观测，项目单一，均为临时或短期租用或调用，一直没有一架专用有人飞机用作大气综合探测飞机实验室平台。
中国气象局从1993年开始了微型无人驾驶气象探空飞机研制攻关项目，1994年底，自控微型飞机首次完成了自主飞行。我国气象无人驾驶飞机开展了大气物理探测（温度、湿度、气压、风向风速）、大气化学探测（臭氧探测）、人工影响天气作业等工作。
2001年底，中国气象局与中国民用航空总局就我国实施飞机气象资料下传（AMDAR）项目事宜进行了协商，成立了一个由双方成员组成的“AMDAR工作专家协调组”。到2008年底，每天大约有7800份左右的 AMDAR资料进入气象数据库。
（c）火箭探测
利用火箭将探测仪器或实验装备送到高空，测量或遥感大气参数。探测高层大气的火箭可分为气象火箭和探空火箭两类。国内已开发了探测高度达80千米的气象火箭，目前仅用在国防科学实验的气象保障中。
综合气象观测系统天基观测系统
我国早在20世纪70年代就开始发展气象卫星，分别实现了极轨卫星和静止卫星的业务化运行，是继美国、俄罗斯之后第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家。
（a）极轨气象卫星观测系统
极轨气象卫星的特点是可以获取全球资料、进行多种要素的综合探测（大气、海洋、陆地），但时间分辨率低。经过40年的发展，极轨气象卫星在监测天气、气候和环境变化中的显著作用和巨大的社会经济效益，已在世界上得到公认。周恩来总理指出要发展我国自己的气象卫星，并亲自布置了相关任务，从此开始了我国第一代极轨气象卫星风云一号（FY-1）的研制和发展工作。
风云三号（FY-3）气象卫星是我国第二代极轨气象卫星，其探测性能比风云一号卫星有显著的提高，计划发射试验试用星2颗，业务系列星6颗，计划使用到2020年。FY-3的01批卫星为试验卫星，计划发射2颗，01批第一颗A星在2008年5月27日发射，有“奥运星”之称，01批第二颗B星也于2010年11月5日发射成功。02批6颗星为业务星，发射将在2010年以后，根据技术发展和应用需求，其中FY-3C、FY-3E、FY-3G为上午星，FY-3D、FY-3F、FY-3H为下午星。
（b）地球静止气象卫星观测系统
20世纪80年代中国开始研制地球静止气象卫星和地面应用系统的设计与建设，第一代地球静止气象卫星定名为风云二号（FY-2）。中国第一颗地球静止气象卫星FY-2A于1997年6月10日利用长征三号火箭在西昌卫星发射中心发射成功，由此开始了我国地球静止气象卫星在轨运行的时代，2004年我国发射了FY-2C星，2006年发射了FY-2D星，2008年成功发射了2C和2D星的姐妹星FY-2E星以备份，一旦有任何卫星出现问题，这颗备份星就会去接替。第二代静止气象卫星风云四号初步预计2013年发射。
我国气象业务运行的静止气象卫星是FY-2D和FY-2E两颗星，FY-2C星已停止业务运行，由FY-2E星代替，与D星实现东西轨道位置布局，不仅扩大了观测范围，也极大地提高了应急观测能力。
综合气象观测系统综合观测保障系统
综合观测保障系统包括运行监控、维护维修、探测装备与物资供应、探测设备的计量检定、探测设备的研发与技术保障等业务。
（a）综合气象观测系统的运行监控
中国气象局组织开发了综合气象观测系统运行监控平台（ASOM），可为气象台站、省级技术保障和业务管理部门、国家级技术保障和业务管理部门提供实时监控及保障的工作平台和管理工具。该平台分为市（县）/台站级、省级和国家级3级业务平台，已在国家级应用，省级开始试点推广。
（b）维护维修
气象装备维修维护体系逐步完善。台站开展了技术装备运行状态的现场监控和故障报告、一般性故障的判断和维修、技术装备的日常维护、保养等工作，地市级技术保障部门进行简单故障的维修和运行保障，省级技术装备保障部门进行业务设备的定期检修和重大故障维修、技术支撑，初步形成了省、地（市）、县相结合的维修维护体系，同时针对不同设备形成了不同保障模式，对于气象专用设备，原则上以自身力量为主，社会力量为辅，对于通用设备发生的故障(如计算机、服务器等)主要借助于社会力量(或供应商、厂商)维修。另外，国家级、省级维修维护能力也得到了加强。
（c）探测装备供应
国家级、省级气象技术装备供应保障业务进一步完善，部分省实现了全省气象技术装备供应管理的集约化和一体化，气象技术装备供应的计划、订货、库存、调剂等各业务环节的管理进一步规范，基本实现了气象装备的保质保量储备。
（d）计量检定
基本建成了结构合理﹑功能齐全的国家级、省级气象要素计量标准系统，2008年国家气象计量站完成了“国家级空气流速实验室建设”，“国家级温度实验室建设”，“国家级降水实验室建设”，“国家级湿度实验室建设” ，“国家级大气压力实验室建设（7607活塞压力计部分）”等五个基本建设项目，省级计量机构也开展了计量设备的升级改造，大幅提高了计量检定的技术能力和自动化水平；巩固和加强了国家级、省级授权的法定计量地位，保证气象要素的量值传递和溯源；按照有关规范要求，完成了气象系统内部气象仪器仪表的计量检定，同时积极开展授权要素在行业和社会的计量和测试工作，开展授权范围内专业项目的计量管理和计量监督工作，对确保气象技术装备的精度和探测资料的可靠性发挥了重要作用。
L波段高空气象观测系统建设规范
自动气象观测系统通信单元改造
综合气象观测系统作用