對農業氣象要素和農業生產的物件和過程同時進行平行的觀察、測定和記載，是農業氣象服務和科研工作的基礎。其主要內容包括：農業氣象要素觀測，農業小氣候觀測，農作物、牧草、畜禽、經濟林木發育期和生長狀況觀測，自然物候觀測以及農牧業氣象災害觀測等。
農業氣象觀測所獲得的資料可用來鑒定農業生產物件和過程與氣象條件的定量關係，進行農業氣象情報、預報服務以及農業氣候資源的分析和區劃，也可為利用、調節和改造農業小氣候條件提供基本資料。
農業氣象觀測遵循平行觀測的原則，在農業氣象站附近的農業氣象觀測地段上進行。為瞭使觀測資料具有代表性和可比性，在選擇觀測地段時要考慮地形、土壤、地下水位和耕作技術等因素在年際間的基本一致。觀測的農業對象要選擇當地最有代表性的種類。物候觀測的時間間隔以不漏測和不遲測為原則，農業氣象要素的觀測應能反映其變化狀況和極值。觀測時間可根據農業氣象要素和農業生產對象的特點來確定；同時要考慮與氣象站的氣象觀測時間相配合，通常采用定期觀測，也可進行不定期觀測。
農業氣象觀測方法根據所要求的精度分為目測、常規儀器觀測和精密儀器觀測。70年代以來，觀測儀器有所改進，出現瞭遙測和綜合農業氣象觀測儀器，可自動打印記錄多種農業氣象要素的數據。遙感技術提供大范圍的溫度、雨量和土壤濕度等信息，也可用於確定自然植被、作物和畜禽的狀況。這些都為農業氣象觀測工作的自動化、遙測化和綜合化以及最後達到客觀化展示瞭良好的前景。（見彩圖）
農業氣象綜合測定儀室外景觀
綜合測定儀
測定小麥群體光合強度
測定林帶的防風效益