天氣預報是使用現代科學技術對未來某一地點地球大氣層的狀態進行預測。從史前人類就已經開始對天氣進行預測來相應地安排其工作與生，如農業生產、軍事行動等等。今天的天氣預報主要是使用收集大量的數據（氣溫、濕度、風向和風速、氣壓），然後使用目前對大氣過程的認識來確定未來空氣變化。由於大氣過程的混亂以及今天科學並沒有最終透徹地了解大氣過程，因此天氣預報總是有一定誤差的。

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採集的時間，並制定標準。這些測量分每小時一次或者每六小時一次。

使用探空氣球可以一直上升到對流層頂收集上空的氣溫、濕度、風速數據。而氣象衛星可以採集全世界的數據。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解析度還不夠好，因此地面數據依然非常重要。

數值天氣預報是使用電腦來模擬大氣。由於流體力學的方程組非常複雜，因此只有使用超級電腦才能夠進行數值天氣預報。這個模型計算的輸出是天氣預報的基礎。

模型計算的原始輸出一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。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。

對於用戶來說天氣預報的展示是整個過程中最重要的，而在電視、廣播、報紙、網際網路中均有對公眾的天氣預報服務。