現代氣象預測是建立在16世紀末至18世紀的科學家們所創建的理論基礎之上的。像艾薩克·牛頓和羅伯特·玻意耳這樣的觀測者們得出空氣熱脹冷縮基本理論，以及物質和能量守恒，還有大氣運動時產生的力的有關理論。其他觀測者們注重觀察日複一日的天氣這一現實。19世紀興起的觀測網，電報彙報速度使氣象觀測者們穿越中緯地區，向東前行，查出高壓區和低壓區。
19世紀，氣象預報人員們試圖用所謂持續性方法預測天氣，他們認為，風暴運動的速度及方向通常是持續的。許多懷疑論者認為不可信賴預測天氣，但天氣預測越來越得人心，不久國家氣象服務部門也成立了。到1900年，美國和歐洲各報上都刊登地圖和天氣預報。
第一次世界大戰以後，觀測天氣的革命方法從挪威興起，這是伴隨著對鋒麵係統概念的形成的了解，及對低壓係統的生命史的了解而產生的。這些想法為更複雜的天氣預報指明一條道路，從而超越了氣候學和固守論。
1922年，英國數學家理查遜幻想，成千上萬的人們用數學加、減法來解運動方程式，並用數學方法預測天氣。他們的想法得到普林斯頓大學的認同。1950年，該大學首次研製出計算機天氣預報，以現有的標準來看，當時實在太粗略了，但他們為後續工作奠定了基礎。現在，全球更完善的計算機把大氣層物質用數學模式加以控製，為地方氣象服務人員提供指導。這種計算機每日兩次從全球範圍內獲取觀測結果，所獲數據通過計算機模型轉化成有用的形式。這些模型模擬大氣，但各國不盡相同。他們用三維框標出某地區、某個大陸、某個半球甚至整個地球，來跟蹤那裏的風、濕度、氣壓和溫度。許多主要的預測中心用一至兩個短期模型，其中一個持續48小時，另一個較長時期模型可持續10天。
計算機提供的半成品還遠不能大眾化，它的主要價值是表明特定天氣特色的特點，指出當地天氣形勢，如鋒麵、高壓中心、低壓中心、高空槽和脊以及急流中心。計算機輸出的資料在獲得全球觀測結果後幾個小時就要送達地方預報單位一采取世界時0000點和12帕。
這裏有一幅人類觀測者的智慧所要破解的圖片，他們必須用許多方法釋譯計算機輸出的資料；各種模型是否一致?沒有完美無瑕的模型，每個模型在各自描繪陸地形狀、描述大氣物理狀況時都有各自的特點。這些特點可將天氣特色顯示出來。例如：低壓中心可以過度發展。弱冷鋒不知不覺進入到一個模型最低垂直的層麵下，有時失蹤的數據在某一特定日子裏會破壞模型的演示，預測者們必須認出這些斜線，並對它們加以修正。
地方性天氣預報，經常從統計模型開始。還要和大模型相連，因為大模型能指明某一特定城市的溫度和降水量。實際上，經過長時間的拖拽，這些統計工具運行良好，它們所提供的預報比人工預報精確。但當統計數字有誤，預報準確度就會大大降低。這種情況在天氣變化異常時經常發生。尤為需要準確預測時，預測者們要高度警惕科學家們常說的“氣象癌”——一種不加以人工判斷，利用統計輸出的資料使錯誤滋延的一種趨勢。
經過數小時商榷，預測者們得出一係列推測，在未來幾天內或達一周之久，這些推測通常包括所預料到的高溫或低溫，多雲，風向及風速，降水量(如果考慮降雪，還包括降雪量)。預測者們管轄區有幾千平方公裏，有時在一小地域氣象條件變化極大，在預測範圍內，不同區域同時提供的預測也大不一樣。
並非所有氣象預報都由政府提供。商家提供的數據賣給私人預測部門，並在國際互聯網絡上顯示出來。
這些部門運用觀測結果和模擬結果來增強他們自身在特殊客戶方麵的前景，如投資者；或用在農業業主身上，因為農業業主更需要政府預測所不及的不同詳情。許多電台、電視台擁有自己的天氣預報員。他們中一些人仍從事天氣預報工作，另外一些人受過氣象知識的訓練，根據自己的判斷改變預測；還有一些人成為私家天氣預報顧問。
氣象學的發展趨勢，尤其在大城市內，是一種“即時預報”，即極短期的預測可持續1～3小時。即時預報是20世紀90年代一種數據發展的產物，小規模氣象係統、快速電腦網絡、精確的工程圖片、自動化觀測、像多普勒雷達這樣新工具、以及被稱作氣象刻度模型的全球氣象預報模型區域分析，由於對上述更好的理解，即時預報才順理成章。由於有了這些係統，氣象預報員現在可以預測小規模天氣特色的運動，諸如暴風雨、大雪或風向。這些在10年或15年以前是根本達不到的。
一些氣象觀測和警報屬另一種即時預報。其中一種大大降低了因惡劣天氣造成的傷亡。當大氣形勢呈現惡劣之時，就可以進行觀測。在美國，持續幾小時的惡劣風暴和龍卷風以及持續兩天的颶風經由國家特殊氣象中心簽署後方可大規、模地進行觀測。在惡劣天氣出現並向你迫近時才簽發警報。
20世紀50年代，地方氣象部門對龍卷風、大暴雨警報在30分到1小時後才簽發。持續預報要以計算機所得出大量控製方程式的模擬資料完成後而定。這些方程式比觀察更能描述大氣狀況，許多天氣預報單位在3～10天前就簽發大量有關氣溫和降雨的預報，這些預測主要依靠長期大量的模擬結果比氣候學略勝一籌。然而，它們對於像農業和交通這樣對天氣敏感的領域也是十分重要的。甚至從天氣方麵作一點暗示，都會節省大量財富。
混沌科學告訴我們：即使集中最好的觀測儀器和計算機，各種天氣狀況事先在兩周內也是無法知道的，但這並未阻礙科研人員運用新型預測工具，氣象預報員通過全方位立體表現，在事先3～10天就可以精確預測出天氣狀況來。
依照這種方法，開始每個模型利用細微的，具有全球性的變化進行操作，這種變化致使模型隨時分開。根據分離情況，人們可以分辨所提供的氣象預報是否可靠，分開越大，預測越不準確。預報員用氣壓場中的“曲線圖”，觀察不同模式畫出的線是否一致還是像麵團一樣紀纏在一起。
季節的特色，如無論冬季幹燥、溫暖還是寒冷濕潤，都可以進行預測。天氣預報更主要依賴海洋變化，它呈現進展緩慢、但影響麵大的特點。這種在某地的氣象狀況和遠程天氣狀況之間的聯係被稱作遙相關。
在所有長期預測中，全球氣候模式正追蹤添加在大氣上的溫室氣體。這種氣候模式預示下世紀全球氣溫會升高，而這種趨勢的地域性和地區性影響很難預測。這是新世紀擺在天氣預報人員麵前的挑戰，但不穩定性也屬一份。從哲人角度講，這種情況完全可以麵對，正如19世紀英國天氣預測者內皮爾·肖曾寫過的一句話，“氣象預測者的心會更了解其中的辛酸，一個門外漢不是出於樂趣，但卻起到幹涉作用。”