Первая метеорологическая станция «Новониколаевск» была организована на левом берегу Оби в Кривощекове — поселке строителей железнодорожного моста через реку Обь в 1891 г. На­чалу регулярным метеонаблюдениям положила необходимость инженерных расчетов при строительстве моста. В 1897 г. метео­рологическая станция была перенесена на правый берег Оби к железнодорожному мосту и стала называться «Правая Обь». Она состояла при конторе начальника участка железной доро­ги и в 1925 г. получила название «Новосибирск», соответствуя новому наименованию города.

Особое значение для развития метеорологических наблюдений в Западной Сибири и, в част­ности, в Новосибирске имело Постановление Президиума За­падно-Сибирского краевого исполнительного комитета 17 мая 1930 г. «О реорганизации метеорологической и гидрологической службы в крае». Согласно решениям Крайисполкома в том же году в Новосибирске была организована гидрометеорогическая станция Новосибирск, Бугры. В 1936 г. в 6 километрах от нее в пос. Огурцово открылась метеорологическая станция, которая в 1941 г. получила статус агрометеорологической. В 1956 г. она была перенесена на юго-восточную окраину поселка, где на­ходится и в настоящее время. Станцию Новосибирск, Бугры в связи с быстрой застройкой территории жилыми домами в 1958 г. закрыли.

В 1931 г. создан Гидрометеорологический комитет при Но­восибирском крайисполкоме, появились новые формы метео­рологического обслуживания различных хозяйственных струк­тур и населения: организованы службы урожая, железных дорог, водного транспорта и авиации. Через два года Комитет был ре­организован в Западно-Сибирское краевое Управление единой Гидрометеорологической службы СССР

12 мая 1933 г. в городском аэропорту открыта авиаметео- рологическая станция (АМСГ). В 1944 г. при авиазаводе им. В.П. Чкалова создается оперативная метеогруппа для обеспечения безопасности испытательных полетов. Датой органи­зации АМСГ в Толмачево считается 7 мая 1957 г., когда в небе Новосибирска появились первые самолеты Ту-104.

В 1964 г. в аэропорту Толмачево был организован зональный авиаметеорологический центр (НЗАМЦ), объединяющий все авиационные метеорологические подразделения города. Поч­ти 20 лет продолжалось самолетное зондирование атмосферы, сначала на самолете Ли-2 до высоты 7 км, потом на самолете Ил-28 — до высоты 12 км.

Для изучения гидрометеорологического режима вновь созданного Новосибирского водохранилища было организовано два пункта метеорологических и гидрологических наблюдений: один в 1956 г. на берегу вблизи плотины ГЭС, другой — в 70 км от него на острове Каменный (1981 г.) — метеостанция получила название Остров Дальний. В 1957 г. с завершением строительства ГЭС создается специализированная Обская гидрометеорологическая обсерватория. В 1964 г. в Новосибирске открыт пункт градиентных наблюдений в приземном слое атмосферы, расположенный на телевизионной мачте. К сожалению, он просуществовал недолго.

С целью подготовки кадров радистов-наблюдателей в Новосибирске было открыто специальное учебное заведение — ГПТУ-7, отметившее в 2009 г. свое 55-летие. При нем работает учебная метеостанция, проводятся регулярные наблюдения с 1962 г.

Регулярные наблюдения за загрязнением атмосферы в крупнейших городах России, в том числе и в Новосибирске, начаты в 1961 г.
В 1966 г. вступил в строй наземный комплекс пункта приема информации с искусственных спутников Земли, находящийся в пос. Новый (к юго-востоку от Академгородка).

Кроме метеорологических станций Росгидромета существуют так называемые ведомственные станции, где также ведутся метеорологические наблюдения. Работают они с 1949 г. в Ботаническом саду СО РАН, с 1959 г. - в Тулинском учебном хозяйстве Новосибирского аграрного университета. Это фенологические станции, изучающие зависимость явлений живой природы от условий погоды. В 1960 г. открыты биоклиматические станции в Заельцовском и Речкуновском санаториях, задача которых — изучение микроклимата санаториев и его влияния на больных. Материалы наблюдений используются для мезоклиматического районирования Новосибирска и в лечебной практике.
В 1935 г. в Новосибирске (пос. Бугры) с открытием аэрологической станции начались измерения с помощью радиозондов  характеристик свободной атмосферы: температуры, ветра, давления, влажности на высотах до 40 км. В аэропорту Толмачево работает пункт локационного контроля грозовой деятельности в теплое время года с охватом территории радиусом до 300 км.