Um dos requisitos básicos para qualquer estudo científico da atmosfera é a observação. Embora os nossos sentidos, em especial a visão e o tato, permitam realizar uma série de observações na natureza (observações sensoriais), como, por exemplo, a direção do vento, através do movimento das folhas ou da direção da fumaça em uma chaminé, invariavelmente, somos obrigados a recorrer ao uso de instrumentos para medidas precisas (observações instrumentais) Em meteorologia, os parâmetros medidos com o uso de instrumentos são:

• Duração do brilho solar;
• Temperatura do ar, da água e do solo;
• Pressão atmosférica;
• Umidade do solo;
• Velocidade e direção do vento;
• Quantidade e duração da chuva;
• Quantidade de evaporação e evapotranspiração;
• Radiação solar.

Os instrumentos meteorológicos para fins científicos devem atender aos seguintes requisitos: regularidade de funcionamento, precisão, comodidade de manejo e solidez de construção.

De acordo com a maneira de realizar a leitura, os instrumentos meteorológicos podem ser divididos em duas categorias: instrumentos de leitura direta e instrumentos registradores. Os primeiros são mais precisos, porém cada medida necessita de uma leitura. Os instrumentos registradores permitem um registro contínuo do valor da medida

Instrumentos meteorológicos mais comuns utilizados em estações meteorológicas convencionais são:

Anemógrafo – mede e registra continuamente a direção (em graus) da velocidade do vento (m s^-1), a distância total (em Km) percorrida pelo vento e as rajadas (em m s^-1).

Anemômetro – Mede a velocidade do vento (m s^-1) e, em alguns tipos, também a direção
(em graus).

Barógrafo – Registra continuamente a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio (mm Hg) o em milibares (mb). No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de pressão é o hectopascal (hPa). 1 hPa = 1 mb.

Barômetro de Mercúrio – Instrumento para medir a pressão atmosférica, a qual se equilibra com o peso de uma coluna de mercúrio. As unidades de medida são: milímetro de mercúrio (mm Hg),  milibar (mb) e hectopascal (hPa).

Evaporímetro de Piché  – Instrumento para medir a quantidade de água que evapora para atmosfera durante um intervalo de tempo. Denomina-se também como um atmômetro. A unidade de medida é milímetro de água evaporada.

Heliógrafo – Instrumento que registra a duração da insolação ou brilho solar, em horas e décimos.

Higrógrafo – Instrumento que registra a umidade relativa do ar (%).

Termohigrógrafo – Mede e registra, simultaneamente, a temperatura (°C) e a umidade relativa do ar (%).

Microbarógrafo – Semelhante ao barógrafo, porém mede e registra variações da pressão muito menores.

Piranômetro – Mede a radiação solar global.

Pluviógrafo – Mede e registra a quantidade e a duração da chuva.

Pluviômetro – Mede a quantidade de chuva.

Psicrômetro – Permite o cálculo da umidade relativa do ar (%) a partir das medidas das temperaturas de bulbo seco e úmido.

Tanque Evaporimétrico – Mede a evaporação em milímetros (mm) pela diminuição do nível da água.

Termógrafo – Registra a temperatura do ar.

Termômetros de Máxima e Mínima – Indicam as temperaturas máxima e mínima do ar (°C) ocorridas no dia.

Geotermômetros – Indicam a temperatura do solo em diversas profundidades