Erilaisia meteorologityökaluja ovat alempi, keskimmäinen ja ylempi ilmakehä. Matalamman ilmakehän laitteita ovat lämpömittarit, barometrit, sademittarit, tuulimittarit ja kosteusmittarit. Raketit ja satelliitit muodostavat keskimmäisen ilmakehän instrumentit, kun taas ylemmän ilmakehän instrumentit koostuvat radiosondeista ja otsonisiondeista. Käyttämällä erilaisia meteorologityökaluja voidaan saada yleistietoja sääennusteista, ilmastotietojen keskiarvot sekä lämpötilaa, vesihöyryä, tuuliprofiileja ja saastumista koskevat tiedot.
Varhaiset ihmiset tekivät havaintoja säästä ja ilmastosta lähinnä katsomalla taivasta. Silloin on keksitty yksinkertaisia välineitä, kuten sääsiivekkeitä, mutta ne olivat arvokkaita vain ilmastotietojen mittaamiseen, eivät sääennusteiden mittaamiseen. Nämä yksinkertaiset laitteet eivät tarjoa tarkkoja mittauksia, jotka ovat välttämättömiä sääennusteiden tekemisessä. Nykyaikaisten meteorologityökalujen keksimällä ammattimaiset meteorologit voivat kuitenkin tehdä kvantitatiivisia mittauksia. Tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että nykyaikaisten meteorologityökalujen tarkkuus on ylivoimainen ilmasto-, ilmakehä- ja sääennusteiden mittaamiseen.
Lämpötilamittaria kutsutaan kahden tyyppiseksi: mekaaniseksi ja sähköiseksi. Neste-lasi-lämpömittarit ovat mekaanisia, kun taas vastuslämpömittarit ovat sähköisiä. Ilmanpaineen mittaamiseen, tieteellisesti ilmapaineeksi kutsuttuja barometrejä voidaan luokitella elohopeaksi tai tutkimuslaboratorioissa käytettäviksi ja aneroideiksi tai koteihin ja sääasemiin. Kalibrointia varten aneroidibarometri on tarkistettava säännöllisesti elohopeaparometriä vasten. Lisäksi aneroidibarometristä voidaan tehdä tallennuslaite, jota kutsutaan barografiksi asettamalla kynä osoittimensa kohdalle.
Aikaisimpana meteorologityökaluna pidetty sademittari on helppo rakentaa, joka mittaa sademäärän. Neljännellä vuosisadalla eaa. Vanhimmat sademittaritiedot kirjattiin Intiaan, missä verkon uskotaan olleen olemassa useiden alueiden keskimääräisten sademäärien vuoksi. Samaan aikaan tuulen nopeuden mittauslaitteessa, jota kutsutaan anemometriksi, on “kupit”, jotka pyörivät keskellä olevan akselin ympäri tuulen liikuttaessa niitä. Ilman kosteus tai kosteuspitoisuus voidaan mitata kosteusmittarilla. Meteorologien käyttämät kaksi kosteusmittaria ovat psykrometri ja absorptiohygrometri.
Raketti on polttomoottori, joka kuljettaa omaa polttoainetta ja hapetinta, minkä vuoksi se voi toimia maapallon sisällä ja sitä voidaan käyttää tutkimaan maapallon ilmakehää. Esimerkkejä hyötykuormista tai meteorologin työkaluista, joita raketit kantavat, ovat paine- ja tiheysanturit. Samaan aikaan meteorologit käyttävät sääsatelliitteja tarkkailemaan pilviä ja sääjärjestelmiä ylhäältä. Satelliittidatan käyttö on parantanut sääennusteiden tarkkuutta.
Radiosondit ovat pieniä radiolähettimiä, jotka on kehitetty keräämään ilmakehän mittauksia ja välittämään kerätyt tiedot maan sääasemille. Aiemmissa versioissa oli kello tai tuulimylly, joka on hyödyllinen tietojen välittömässä tallennuksessa, kun taas nykyaikaisissa versioissa on barometrit, lämpömittarit ja kosteusmittarit. Yhdessä otsonitasomittauslaitteiden, otsonondondien kanssa, radiot kulkeutuvat ilmakehään miehittämättömällä ilmapallolla.