La storia della meteorologia s'intreccia con quella dell'astrologia, poiché sin dall'antichità le due scienze procedettero all'unisono:Francesco Viscovich, Manuale nautico di meteorologia, volume I, cap. LXXXI, pag. 261, Trieste, Libreria Julius Dase, 1876. agli astri era attribuito il potere di influire non solo sulle vicende umane, ma anche sui fenomeni atmosferici.Arnaldo Bruni, Fausta Garavini, La biblioteca come servizio: in ricordo di Piergiorgio Brigliadori, pp. 59-70, CLUEB, 2009. Entrambe erano cioè una forma di divinazione del futuro,Elide Casali, Le spie del cielo: oroscopi, lunari e almanacchi nell'Italia moderna, pag. 24, Einaudi, 2003. sicché esisteva un apposito ramo di studi chiamato astrologia meteorologica,Pier Luigi Pizzamiglio, L'astrologia in Italia all'epoca di Galileo Galilei, pag. 129, Milano, Vita e Pensiero, 2004. mentre la sua versione folclorica e popolare viene denominata meteorognostica.
Panoramica storica Già gli antichi babilonesi si interessarono ai fenomeni atmosferici e tentarono di prevedere le evoluzioni del tempo, indagando le caratteristiche delle nubi e degli astri, raggiungendo un livello oggi definibile di protoscienza.
Importanti sviluppi si ebbero poi ai tempi dell'Antica Grecia. Il termine meteorologia risale infatti a μετεωρολογικά (in latino Meteorologica), titolo del libro scritto intorno al 340 a.C. da Aristotele che presenta osservazioni miste a speculazioni sull'origine dei fenomeni atmosferici e celesti. La parola greca μετέωρος metéōros fa riferimento a oggetti "alti nel cielo", cioè tra Terra e il regno delle stelle, mentre -λογία -logía viene da λέγω légō, "parlo" (cfr. λόγος lógos, "discorso"). Un'opera simile intitolata Libro dei segni (περὶ σημείων ὑδάτων καὶ πνεμάτων καὶ χειμώνων εὐδιῶν, De signis) fu pubblicata da Teofrasto, un allievo di Aristotele; era centrata più che altro sulla previsione del tempo sulla base dell'osservazione dei fenomeni. Catalogò 80 previsioni di pioggia, 50 di temporale e 24 di tempo sereno; se alcune di esse appaiono oggi ingenue e poco credibili, altre invece erano frutto di osservazioni e spiegazioni razionali."Prevedere il tempo", di Chiara Palmerini, pagg. 4-11, pubbl. da Le Scienze dossier: Il clima che cambia n. 5, agosto 2001, firmato da autori vari.
All'epoca dell'antica Roma, il geografo Pomponio Mela introdusse il sistema delle zone climatiche. Tratta di meteorologia anche il Libro II della Naturalis Historia di Plinio il Vecchio.
Ai tempi della dinastia cinese Han il filosofo Wang Chong nell'80 d.C. effettuò una serie di studi sui fenomeni meteorologici e fisici di una certa rilevanza.Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 3, Mathematics and the Sciences of the Heavens and the Earth. Taipei, Caves Books Ltd.
Nel Medioevo le previsioni venivano elaborate utilizzando come riferimento la posizione di pianeti e stelle. In questo periodo storico nacquero gli almanacchi, che in un primo tempo erano tavole astronomiche utili per ottenere il giorno della settimana riferito a qualunque era, ma che in seguito divennero pubblicazioni multisettoriali con annesse previsioni per gli agricoltori.
Tra gli scritti più significativi si ricordano lAgricoltura nabatea dell'arabo Ibn Wahshiyya, i trattati sulla meteorologia del naturalista arabo Al-Kindi e di Avicenna, oltre all'invenzione di quest'ultimo del termometro per l'aria. Nella cultura popolare europea si attribuiva ai tempestarii, sedicenti maghi o stregoni, la capacità non solo di prevedere, ma anche di provocare i cambiamenti del tempo.
Ulteriori progressi in campo meteorologico si verificarono tra il Cinquecento e il Seicento, quando furono disponibili strumenti più accurati. Leonardo progettò un igrometro per misurare la l'umidità dell'aria, Galileo (o Santorio Santorio), costruì un termometro nel 1607, seguito dall'invenzione del barometro da parte di Evangelista Torricelli nel 1643. L'anemometro per la misurazione della velocità del vento fu costruito nel 1667 da Robert Hooke. Nel Settecento l'elenco dei più importanti strumenti meteorologici fu completato dall'igrometro a capello per misurare l'umidità, costruito nel 1780 da Horace de Saussure.
Con i nuovi strumenti vi fu un aumento delle conoscenze. Nel 1648 Florin Périer scoprì la dipendenza della pressione atmosferica dall'altitudine con un esperimento effettuato secondo le indicazioni di Cartesio e di suo cognato Blaise Pascal. Una data importante per gli sviluppi futuri della meteorologia fu il 19 giugno 1657, data che vide la formazione a Firenze dell'Accademia Fiorentina del Cimento, nella quale un gruppo di scienziati, finanziati da Ferdinando II de' Medici, iniziò a indagare l'atmosfera con il metodo scientifico-sperimentale, e che organizzò il primo osservatorio meteorologico internazionale, in cui una rete di studiosi sparsi su tutto il territorio europeo, dopo aver ricevuto la necessaria strumentazione dagli scienziati fiorentini, si assunse il compito di registrare le informazioni riguardanti i parametri atmosferici fondamentali (pressione, temperatura, umidità, vento, stato del cielo) e di inviarli successivamente a Firenze. La rete raccoglieva i dati, ad intervalli regolari, da Cutigliano, Vallombrosa, Bologna, Parma, Milano, Innsbruck, Osnabrück, Parigi, Londra e Varsavia.
Nel 1686 Edmund Halley pubblicò la prima mappa dei venti alisei e approfondì la relazione tra pressione atmosferica e altitudine che era stata scoperta da Florin Périer. Halley fu il primo a fare la connessione tra riscaldamento solare e circolazione atmosferica globale.
Nel Settecento, la Royal Society in Gran Bretagna e l'Accademia delle Scienze in Francia realizzarono altri due osservatori internazionali e nel 1730 Vitus Bering impiantò stazioni di rilevamento anche in Siberia. George Hadley fornì una corretta spiegazione generale della circolazione atmosferica globale, con uno studio sugli alisei da lui effettuato nel 1735 (Per questo motivo, la particolare circolazione atmosferica che si presenta nella cella tropicale prende il nome di "cella di Hadley"). All'epoca ci fu solo una comprensione parziale di come la rotazione della terra influisse sulla cinematica dei flussi d'aria; le conoscenze in materia vennero approfondite nell'Ottocento.
Altri progressi scientifici e tecnologici avvenuti tra il Settecento e l'Ottocento che hanno influenzato la meteorologia sono conosciuti principalmente come parte del progresso della scienza fisica stessa. Tra questi vi furono i lavori di Daniel Bernoulli, che nel 1738 pose le basi della teoria cinetica dei gas, e l'esperimento di Benjamin Franklin sull'elettricità atmosferica eseguito nel 1752 con l'aquilone per la cattura dei fulmini. Franklin fu inoltre il primo Americano a registrare in modo accurato e dettagliato le condizioni del tempo su base giornaliera ed uno dei primi americani ad effettuare previsioni del tempo su base giornaliera. Anche la chimica contribuì all'aumento delle conoscenze scientifiche di base: il francese Antoine Lavoisier scoprì che l'aria è composta da una miscela di gas. In seguito, la ricerca della dipendenza del volume dei gas dalla pressione e dalla temperatura condusse all'equazione di stato dei gas, formulata nel 1834 da Émile Clapeyron.
Nel XIX secolo fu compresa la piena estensione dell'interazione a larga scala tra la forza del gradiente di pressione e la deflessione causata dalla forza di Coriolis, che causa il movimento delle masse d'aria lungo le isobare. La forza di deflessione prese questo nome nei primi anni del XIX secolo con riferimento a una pubblicazione di Gaspard-Gustave Coriolis del 1835 che descriveva i risultati di uno studio sull'energia prodotta da macchine con parti in rotazione come le ruote ad acqua dei mulini. Nel 1856 William Ferrel ipotizzò l'esistenza di una "cella di circolazione" alle latitudini intermedie, in cui l'aria veniva deflessa dalla forza di Coriolis creando i principali venti occidentali. Questa cella su in seguito battezzata cella di Ferrel.
L'osservazione sinottica del tempo atmosferico era ancora resa complessa dalla difficoltà nel classificare certe caratteristiche climatiche come nubi e venti. Questo problema fu risolto quando Luke Howard e Francis Beaufort introdussero il loro sistema di classificazione delle nuvole (1802) e della forza del vento (1806), rispettivamente. Il vero punto di svolta fu tuttavia l'invenzione del telegrafo nel 1843 che permetteva di potersi scambiare informazioni su tempo e clima con velocità prima ineguagliata. Nel 1854 Urbain Le Verrier scoprì il carattere migratorio dei fenomeni meteorologici, rilevando che un uragano che aveva affondato alcune navi francesi nel Mar Nero aveva attraversato nei giorni precedenti altre regioni europee. Nel 1878 venne fondata l'Organizzazione meteorologica internazionale che molti anni dopo diverrà "mondiale".
Nell'Ottocento cominciarono anche ad essere effettuati rilievi ad alta quota mediante palloni aerostatici con uomini a bordo. Nel 1862 l'inglese James Glaisher, a bordo di un pallone pilotato da Henry Tracey Coxwell, superò la quota di 9.000 metri ed effettuò misurazioni di temperatura, pressione ed umidità, rilevando le diminuzioni di temperatura all'aumento della quota. Nel 1881 venne lanciato in Francia il primo pallone sonda senza uomini a bordo, con un meteorografo (strumento che registrava automaticamente temperatura, pressione e umidità). Con il perfezionamento della strumentazione, i palloni sonda cominciarono ad essere usati sistematicamente a partire dal 1893. In Italia pionieri e promotori della nascita, sviluppo e diffusione della cultura meteorologica nell'Ottocento sono stati i religiosi Angelo Secchi e Francesco Denza, fondatore quest'ultimo della Società meteorologica italiana cui seguirà di li a poco il Regio ufficio centrale di meteorologia antesignano del Servizio meteorologico dell'Aeronautica Militare.
All'inizio del XX secolo i progressi nella comprensione delle dinamiche atmosferiche portarono alla creazione delle moderne previsioni del tempo calcolate su basi rigorosamente matematiche.
Nel 1917 un gruppo di meteorologi norvegesi condotto da Vilhelm Bjerknes diede vita alla scuola di Bergen, che sviluppò un modello concettuale per spiegare la generazione, l'intensificazione e la dissoluzione dei cicloni extratropicali a media quota, introducendo l'idea del fronte meteorologico e della suddivisione tra le masse d'aria. Grazie a questo modello, fu possibile creare mappe meteorologiche riportando le isobare e le isoterme e calcolare lo spostamento dei sistemi atmosferici rilevati (cicloni e anticicloni) effettuando previsioni meteorologiche. Il gruppo norvegese includeva Carl-Gustaf Rossby (che fu il primo a spiegare il flusso atmosferico su larga scala in termini di fluidodinamica ovvero le Onde di Rossby), Tor Bergeron (il primo a comprendere il meccanismo di formazione della pioggia) e Jacob Bjerknes, figlio di Vilhelm Bjerknes. Tuttavia il modello concettuale della scuola di Bergen non spiegava il meccanismo fisico noto come instabilità baroclina che sta alla base della ciclogenesi e che verrà chiarito solo negli anni quaranta.
Nel 1922 Harold Jeffreys propose una classificazione delle masse d'aria atmosferiche, distinguendole in cicloni e brezze locali. Nello stesso anno Lewis Fry Richardson pubblicò Weather prediction by numerical process (Previsioni del tempo per processi numerici), che descriveva come eliminare le varianti meno importanti nelle equazioni di dinamica dei fluidi che regolano i flussi atmosferici per permettere di trovare facilmente soluzioni numeriche. Tuttavia, il numero di calcoli necessario era troppo grande per essere gestito prima dell'avvento dei computer.