收集數據
最傳統的數據是在地面或海面上通過專業人員、愛好者、自動氣象站或者浮標收集的氣壓、氣溫、風速、風向、濕度等數據。世界氣象組織協調這些數據采集的時間，並制定標準。這些測量分每小時壹次（METAR）或者每六小時壹次（SYNOP）。
使用氣象氣球氣象學家還可以收集上空的氣溫、濕度、風值。氣象氣球可以壹直上升到對流層頂。
氣象衛星的數據越來越重要。氣象衛星可以采集全世界的數據。它們的可見光照片可以幫助氣象學家來檢視雲的發展。它們的紅外線數據可以用來收集地面和雲頂的溫度。通過監視雲的發展可以收集雲的邊緣的風速和風向。不過由於氣象衛星的精確度和分辨率還不夠好，因此地面數據依然非常重要。
氣象雷達可以提供降水地區和強度的信息。多普勒雷達還可以確定風速和風向。
數據同化
在數據同化的過程中被采集的數據與用來做預報的數字模型結合在壹起來產生氣象分析。其結果是目前大氣狀態的最好估計，它是壹個三維的溫度、濕度、氣壓和風速、風向的表示。
數據天氣預報
數字天氣預報是使用電腦來模擬大氣。它使用數據同化的結果作為其出發點，按照今天物理學和流體力學的結果來計算大氣隨時間的變化。由於流體力學的方程組非常復雜，因此只有使用超級計算機才能夠進行數字天氣預報。這個模型計算的輸出是天氣預報的基礎。
輸出處理
模型計算的原始輸出壹般要經過加工處理後才能成為天氣預報。這些處理包括使用統計學的原理來消除已知的模型中的偏差，或者參考其它模型計算結果進行調整。
過去氣象學家必須自己做處理工作，今天24小時以上的天氣預報主要是使用多種不同模型後對其結果進行綜合。氣象學家還必須分析預報出來的模型數據來使最終用戶能夠理解它。此外天氣預報的模型壹般分辨率不是特別高。當地的氣象學家還必須通過當地的經驗在涉及地區性的影響，使得當地的天氣預報更加精確。不過隨著天氣預報模型的不斷精密化這個工作量越來越小了。
展示
對於最終用戶來說天氣預報的展示是整個過程中最重要的。只有知道最終用戶需要什麽信息、如何才能將這些信息易懂地傳達給最終用戶才能完成這個任務。