世界气象组织的前身是国际气象组织，它是在1873年第一届国际气象大会上创建的非政府机构。1947年在华盛顿召开有46个国家和30个地区气象组织机构负责人参加的会议，决定把国际气象组织改组为政府间组织——世界气象组织，并且通过了《世界气象组织公约》。
1950年3月23日，《世界气象组织公约》正式生效，这标志着世界气象组织的成立。该组织的宗旨是：促进设置气象台、站、网方面的国际合作，以进行气象、水文及与气象有关的地球物理观测；促进建立气象情报快速交换系统，促进气象观测的标准化；推广气象学应用于航空、航海、水利、农业和人类其他活动；促进气象部门与水文部门门密切合作；鼓励并协调对气象及有关领域内的研究和培训。
1951年，联合国大会通过决议，将世界气象组织作为联合国的一个专门机构。1960年世界气象组织决定把3月23日定为“世界气象日”，要求世界气象组织的成员国届时举行各种方式的庆祝活动，并且每年的世界气象日都要讨论一个主题。1990年的这一天，为了纪念世界气象组织成立40周年，在总部日内瓦举行了一次特别纪念活动。
世界气象组织成立45年来，成员已发展到一百六十多个，工作也取得了许多成就，从1957年开始的全球臭氧观测系统，经过30年艰苦的协调和标准化的观测，终于促成许多国家在1987年签订了关于保护臭氧层的《蒙特利尔议定书》。1963年建立的世界天气监视网是世界气象组织的骨子计划。世界天气监视网把世界上一百多个国家和地区，用统一规范、统一的技术政策联合起来，形成区域性和全球性的情报网。尽管发展中国家与发达国家在技术上存在差异，但网络的形成促进了各国间的互补。
世界气象组织的工倏为减少全球自然灾害的损失做出了巨大贡献。他们提供的“气象和水文服务”不仅保护了人民生命和财产，还在经济各领域创造了无法估计的价值。
世界气象组织在促使各国气象部门合作的同时，还在世界性组织机构间做了大量协调工作。他们与联合国开发计划署、环境规划署等机构协同，在气候变化方面为众多国家的决策者提供依据，推动有利于人类社会的政策措施出台。
当前，环境和气候变化对人类提出了新的挑战。为此，世界气象组织从1988年开始展开大量工作，对气候变化进行科学评价、影响评价和对策研究，引起了各国政府的重视。为维护人类的生存环境，许多国家已取得共识：发达国家应在资金、技术上更多地帮助发展中国家，发展中国家也应积极处理好经济发展与限制污染的关系。