根據氣象觀測資料，應用天氣學、動力氣象學、統計學的原理和方法，對某區域或某地點未來一定時段的天氣狀況作出定性或定量的預測。它是大氣科學研究的一個重要目標。
天氣變化和人們的生產活動、社會活動、軍事活動以至日常生活，都有十分密切的關係。準確的天氣預報，能幫助人們充分利用有利的天氣，避免和預防不利的天氣，減免不必要的損失，為人民造福。
發展 天氣預預報的發展，大體上可分為單站預報、天氣圖預報、數值天氣預報三個階段。
單站預報 17世紀以前人們通過觀測天象、物象的變化，用簡潔生動的語言編成天氣諺語，據以預測當地未來的天氣。17世紀以後，溫度表和氣壓表等氣象觀測儀器相繼出現，地面氣象站陸續建立，這時則主要根據單站氣壓、氣溫、風、雲等要素的變化來預報天氣。這是天氣預報的初始階段。
天氣圖預報 1851年，英國首先通過電報及時將各地氣象站同時間的觀測資料傳至該國的氣象中心，繪制成地面天氣圖，並根據天氣圖上高壓和低壓系統的移動，制作天氣預報。隨後，歐美等許多地區也相繼發展瞭天氣圖預報。20世紀20年代開始，氣團學說和極鋒理論先後被應用在天氣預報中。30年代，無線電探空儀的發明、高空天氣圖的出現、長波理論在天氣預報上的廣泛應用，使天氣演變的分析，從二維發展到瞭三維(見天氣分析)。40年代後期，天氣雷達的運用，為降水以及臺風、暴雨、強風暴等災害性天氣的預報，提供瞭有效的工具。
數值天氣預報 自20世紀50年代使用電子計算機以來，動力氣象學原理、數學物理方法、統計學方法等，廣泛應用於天氣預報。用高速電子計算機求解簡化瞭的大氣流體力學和熱力學方程組(見大氣動力方程)，可及時作出天氣預報。尤其是自60年代發射氣象衛星以來，利用衛星的探測資料，彌補瞭海洋、沙漠、極地和高原等地區因氣象站稀少而資料不足的缺陷，使天氣預報的水平有顯著的提高。
隨著衛星技術、通信技術和計算機技術的進步，天氣預報正向全盤自動化的方向發展。從氣象觀測、發報、通信、資料收集和分發、填繪天氣圖、按模式進行計算，直到作出數值天氣預報和輸出預報結果等，均由電子計算機所控制。工作人員可按熒光屏上顯示所需的各種天氣圖表進行預報（見氣象情報傳輸、氣象業務服務自動化）。
1982年初，中國的北京氣象中心，已將數值天氣預報投入業務，並逐步向自動化、定量化的方向發展。
形勢預報 即預報未來某時段內各種天氣系統的生消、移動和強度的變化。它是氣象要素預報的基礎。形勢預報的方法可分為兩大類：一類是數值預報方法，即直接積分大氣方程組或其簡化方程組，按所得結果對未來的氣壓場、溫度場和風場作出預報；另一類是天氣圖方法。後者有以下幾種作法：
經驗外推法 又稱趨勢法，是根據天氣圖上各種天氣系統過去的移動路徑和強度變化趨勢，推測它們未來的位置和強度。這種方法，在天氣系統的移動和強度無突然變化或無天氣系統的新生、消亡時，效果較好；而當其發生突然變化或有天氣系統的新生、消亡時，預報往往不符合實際。
相似形勢法 又稱模式法，是從大量歷史的天氣圖中，找出一些相似的天氣形勢，歸納成一定的模式。如當前的天氣形勢與某種模式的前期情況相似，則可參照該模式的後期演變情況進行預報。由於相似總是相對的，完全相同是不可能的，因此，用此法也往往出現誤差。
統計資料法 又稱相關法，是用歷史資料，對歷史上不同季節出現的各種天氣系統的發生、發展和移動，進行統計，得出它們的平均移速，尋找預報指標（如氣旋生成、臺風轉向的指標等），進行預報。對歷史上未出現過的或移動很快及很慢的例子，則此法不能應用。
物理分析法 首先分析天氣系統的生消、移動和強度變化的物理因素，在此基礎上制作天氣預報，此法通常效果比較好。但當對反映這些物理因素的運動方程所進行的簡化和假定不大符合實際時，就常常造成預報誤差，甚至遠遠偏離實際情況。
上述四種方法各有優缺點，使用時需相互補充，取長補短，綜合考慮，才能獲得較好的效果。
要素預報 即預報氣溫、風、雲、降水和天氣現象等在未來某時段的變化。要素預報有以下幾種方法：
經驗預報方法 在天氣圖形勢預報的基礎上，根據天氣系統的未來位置和強度，對未來的天氣分佈作出預測。例如低壓移來並得到加強時，可預報未來將有陰雨天氣或較大的降水。這種方法的準確性，在很大程度上取決於預報員的經驗，又由於天氣系統和天氣現象並非一一對應，故預報效果不夠穩定。
統計預報方法 分析天氣的歷史資料，尋求大氣狀態的變化同前期氣象因子的相關性，用回歸方程和概率原理，篩選預報因子，建立預報方程。將近期氣象要素代入方程，即得所需的預報值。這種方法的效果主要取決於因子的正確選擇。
動力-統計預報方法 將數值預報方法算出的未來氣象參數作為預報因子，用回歸方程求得一組預報公式，作出要素預報。隨著數值模式的改進，此法的準確率可能穩定提高。
預報種類 按天氣預報的時效長短，可分為:①短時預報。根據雷達、衛星探測資料，對局地強風暴系統進行實況監測，預報它們在未來1～6小時的動向。②短期預報。預報未來24～48小時天氣情況。③中期預報。對未來3～15天的預報，主要包括受何種天氣過程影響，能否出現災害性天氣，以及主要的天氣變化趨勢。④長期預報。常指1個月到1年的預報。主要應用統計方法，根據各月氣象要素平均值與多年平均值的偏差進行預報。用數值預報方法制作長期預報的方法正在試驗之中，已有瞭一定的進展。預報時效1～5年的稱為超長期預報，5年、10年以上的則稱為氣候展望。
按預報范圍的大小，可將天氣預報分為：①大范圍預報。一般指全球預報、半球預報、大洲或國傢范圍的預報。主要由世界氣象中心、區域氣象中心及國傢氣象中心制作。②中范圍預報。常指省（區）、州和地區范圍的預報，由省、市或州氣象臺和地區氣象臺制作。③小范圍預報。如一個縣范圍的預報、城市預報、水庫范圍的預報和機場、港口的預報等，這些預報由當地氣象臺站制作。
預報服務 如何將天氣預報及時提供使用部門和人民群眾，是預報服務的中心環節。最廣泛而有效的服務手段有：報刊登載，電臺廣播，電視播送，天氣電話咨詢等。此外，還通過專線電話、電傳和書面等形式，為專門部門服務。天氣預報的專用收音機，是一種可隨時打開收到當時的天氣預報廣播的收音機，在即將發生災害性天氣時，專用的氣象廣播電臺可用一定波長的信號，使這種收音機自動開啟呼叫，這樣，入睡的人也能被其信號喚醒，收聽到災害性天氣警報，這對及時采取預防措施提供瞭可能性。