根据承担的观测业务属性和作用，气象观测站可以分为国家基准气候站、国家基本气象站、国家一般气象站三类。此外，还有无人值守气象站。这些站点的主要作用是研究大气气体成分浓度、温度、湿度、风、蒸发、降水、辐射等要素。

国家基准气候站是为获取具有充分代表性的长期、连续气候资料而设置的气候观测站，可以承担观测业务试验任务。国家基本气象站是根据全国气候分析和天气预报的需要所设置的气象观测站，主要担负区域或国家气象情报交换任务，是国家天气气候站网中的主体。

国家一般气象站是按省(区、市)行政区划设置的地面气象观测站，获取的观测资料主要用于本省(区、市)和当地的气象服务。无人值守气象站是在不便建立人工观测站的地方，利用自动气象站建立的无人气象观测站，用于天气气候站网的空间加密。

地面气象观测站的分类，包括大气本底站、气候观象台、基准气候站、基本气象站、(常规)气象观测站、应用气象观测站、志愿气象观测站、综合气象观测(科学)实验基地、综合气象观测专项试验外场等九种类型。高空气象观测站包括气象飞机、气象飞艇、高空气象观测站、天气雷达站、飞机(飞艇)气象观测基地等，主要通过携带各种类型的气象观测仪器进行大气当中的气象状况进行观测。空间气象观测站包括气象卫星、空间天气观测站、气象卫星地面站、卫星遥感校验站等，用于监测空间中的气象状况。