2004年9月，在山西省襄汾县陶寺文化遗址考古发掘过程中，考古人员发现了世界距今4100年的最古老天文观象台遗址。有关专家推测，多种数据表明，这座观象台形成于公元前2100年的中国原始社会末期，比英国公元前1680年的巨石阵观测早近500年。观象台坐落于陶寺古城遗址东南位置，形状为一座直径约50米的半圆形平台。台座顶部有一半圆形观测台，以观测台为圆心，由西向东方向，呈扇状辐射着13个土坑，同时有13根夯土柱。古代人利用两柱之间来观测正东方向的塔儿山日出，并根据日光影可以推测出一年的十二节气，经与现在农历时间比较，实地模拟观测后，节气时令精确度很高。
有关古代天文、气象观测的记录、传说和故事的历史文献，十分丰富。历代官方组织或地方民间编写的许多史志、典籍，都有天文、气象、物候及自然灾害等方面的观测记载。我国最早有文字记载的气象观测方面原始档案是殷商时代的甲骨文。经研究发现，殷墟甲骨文卜辞中不但有各种天文、气象、物象等观测文字，还有天气预测和实况的记载。从著名的考古学家对1936年出土的一片殷墟卜辞进行研究表明：公元前1217年中国不仅已作出10天的天气预报，而且还有连续10天的天气预测及实况记录。
周代，随着生产力的产生的发展，对天气气候的变化也就越来越重视，从中央到各诸侯列国，都设有观天、祭礼的场所，称为“灵台”、“明堂”。
春秋战国时期，由于战乱，社会不稳定，各国非常重视观天占侯。有每逢节气日历记录物候和天气的传统，《左传》中就记录了许多关于云和和大气光象的观测结果，并首次论述了八风（八种风向）。《管子》中也有气候、节气、物候方面的论述，明确提出了清明、大暑、小暑、始寒、大寒五个节气的名称。
盛唐时期，国泰民安，气象观测技术也有较大的进步。唐太宗时期的科学家李淳风所著的《观象玩占》一书中，曾详细介绍了当时观测风的方法：“凡侯风必於高平远畅之地，立五丈竿。以鸡羽八两为葆，属竿上。侯风吹葆平直，则占。”这里指出测风的场地要求，同时也说明了风观测器的构造。
宋代的科技和学术文化成就辉煌，发明了指南针、印刷术和火药，在天文、气象方面的发明和学术文献也非常多。其中突出的有南宋秦九韶在《数书九章》首创天池测雨、竹器验雪等测量降雨量和降雪量的测算方法。
明清时期，建有“观象台”，进行天文、气象观测，其中有著名的北京古观象台和南京鸡鸣山观象台。此外，各地州、县，也负有观测任务，凡有灾异现象，特别是风灾、雨灾等气象灾害，都必须呈奏。在清代，许多地方都要定期上奏《晴雨录》、《雨雪粮价》等报告，各地官员也有大量的有关当地天气、气候及气象灾害的奏折。如今，在我国第一历史档案馆，还珍藏有大量的古代雨雪粮价、黄河水文灾情、气象灾害、自然现象及天文地理方面的档案。
