在对地观测系统中，气象观测系统的建立是最早的。最早研制的对地球环境进行系统探测和研究的卫星也是气象卫星。直到今天，气象观测系统依然是全球对地观测系统的核心组成部分，起着重要的主导作用。
　　古代人类文明的记录包含着无数有关天气和气候的记载，但通常是与天文学和占星术联系在一起。同时，不同文化的国家都分别发明了简易而巧妙的仪器来观测基本的气象参数。17世纪中叶，人类开始系统地收集资料，以探索天气形势并摸索如何推断未来天气状态的可能性。
　　我们生活的地球周围是一层大气，有关大气圈状态的物理量和物理现象被统称为气象要素，包括气温、气压、温度、风、云、能见度、天气现象等，天气就是各种气象要素的综合表述。由于我们生活的地球是一个旋转的球体，因此大气相对地表而言是具有流动性的，这就使气象现象表现出非常明显的跨国界性，体现了进行国际协调气象观测的必要性。虽然气象现象跨国界性足够明显，但是经国际协调的天气观测理念却很久以后才形成。
　　第一个国际气象网络是托斯卡尼的费迪南德二世于1654年创建的，共有11个站。1780年，帕拉提气象学会创建了有39个观测站的观测网络。虽然这个气象学会仅仅维持了12年，但这向通过标准惯例和精心校准的仪器开展天气观测迈出了重要一步。
　　半个多世纪后，国际气象大会重新提供了一个国际协调的天气观测理念的架构。而这一理念是通过成立国际气象组织（IMO）才得以实现的，国际气象组织即现在的世界气象组织（WMO）的前身。此时，除了严格的气象测量之外，还进行了与地磁学、天电、海洋学、冰川学和空气采样有关的广泛观测。全球不同地区超过40个观象台参与了这些科学工作。
　　世界气象组织成立不久，人造卫星开始成为我们在太空中的眼睛，为我们提供了有关云和重要天气的全球真实图像和其他重要信息。同时，电子计算机取得了重大进展，使数值天气预报成为可能。1950年，查尼、费约托弗特和冯·纽曼公布了第一个成功的利用计算机进行的数值天气预报。于是，全球大气研究计划（GARP）和世界气象组织的世界天气监视网（WWW）很快成为其在全世界范围内开展规范、收集、分析、加工和分发天气和其他环境信息的一项基础计划。世界天气监视网的建立,　　为大气探测提供了良好的条件,　　促进了天气预报水平的提高。今天的天气预报，都是建立在各种气象观测基础之上的。
　　随着科学技术的发展,　　科学家们已经不满足于单纯的依靠气象站、飞机、火箭、雷达、卫星的大气探测,　　而是把它们统一地规划,　　系统地结合起来,　　从而形成了一张巨大的天气监视网。建立一个依靠综合信息系统支持的综合全球观测系统将大大有助于观测有关天气、气候和水等各类地球要素及其变化，并从中产生社会经济效益，尤其是在保护人民生命、财产、健康，保卫陆地、海上和空中安全，促进经济增长、保护自然资源和环境质量、减少自然灾害风险等方面具有极其重要的意义。
　　21世纪是人类有效探索与开发利用地球资源的新世纪。在科学技术突飞猛进、全球化趋势日益明显的新时期，为了解决人类共同面临的生存和发展问题，认识和理解人类赖以生存的地球这一系统，加强地球观测领域国际合作已成为世界地球观测领域国家的必然选择。
　　2005年2月，国际政府间地球观测组织（GEO）正式成立，并启动了全球综合地球观测系统（GEOSS）十年执行计划，以期进一步整合各种的力量，通过在现有的国家、区域和全球系统的基础上建立一个全球地球综合观测系统。世界气象组织的观测系统是全球综合地球观测系统的核心组成部分，因此全球地球综合观测系统的成效取决于世界气象组织全球综合气象观测系统的进一步建立和完善。加强这一系统的整合将为提供天气、气候和水等相关服务做出很大的贡献。