科学的天气预报之技术基础源于17世纪温度计、气压计和其他观测仪器的发明。正是这些发明使得首个国际天气站网（包括跨越奥地利、法国、德国和波兰的11个站）在1654年建成。1780年一个包含欧洲的37个站和北美2个站的天气网建成。萨缪尔·摩尔斯发明的电报在1849年开启了这些网络的天气报告的实时传送和交换。
技术进步在20世纪再上一个台阶。现代观测站网成倍增加，使得今天世界上拥有数万个天气站。气球、飞机和火箭携带观测仪器进入高层大气。1000个左右的商业船只在海洋上航行时进行大气观测，而全球Argo浮标站监测海洋的温度和洋流。风廓线仪、雷达系统、闪电探测网和很多其他传感器在不断增加天气和气候观测的时空分辨率。速度越来越快的通信系统和互联网快速和廉价地传输来自这些探测仪器的大量数据。
遥感天气卫星在1960年代开始扮演关键角色，并在1970年代得到了大大的扩展。今天，极轨天气卫星每天至少两次对全球任一地点进行观察，提供全球云量、水汽和很多其他参数的观测。辅助的地球静止卫星系统，每个卫星定位在赤道上空的固定位置，提供全球大多数区域的连续观测。这些不同的天基、空基、陆基和海基系统共同给出了世界大气、天气和气候的全景图。
另一项关键的技术突破时计算机的发展。国家天气局，以及区域和全球数据处理中心，是最早运行强大的超级计算机的机构之一。这些计算机能够分析海量数据，制作出可信性不断提高的预报。计算能力的持续进步，使得运行复杂的天气气候模式，以及实施能够完全吸纳不断增加的来自卫星和其他观测系统的观测数据的数据同化算法成为可能。
