天气现象风云变幻，奥秘无穷，时刻影响着人们的活动。华夏先民在与大自然的长期互动中，日渐适应了四时交替，阴阳变化；辨明了雨雪晴霭，风云雷电；见证了朝晖夕阴，气象万千，并逐渐探索出气象变化的一般规律，形成观天察气、看云识天的气象学识，留下世界上记录最早、传承最久、内涵最广的气象资料，成为中华民族乃至世界文明的宝贵精神财富和独特文化资源。
早在夏代，已有观象授时之说，设有“天地四时之官”；《夏小正》以夏代十二月为纲，记述了每月星象、气象、物象及所应从事的农事和政事。至殷商，时人开始自觉观察、认识并记载各种气象，甲骨卜辞中风、云、雨、雪、雹、雾、霰、霜、雷、电、虹等气候现象，是世界最早的气象记录之一。周秦之际，在天人关系的艰难探寻中，人们已更加成熟地解释气象、预报气象和记录气象，《周易》《尚书》《诗经》《左传》《国语》《孙子兵法》《庄子》《孟子》《管子》《吕氏春秋》《尔雅》《黄帝内经》等存世文献，都记载有大量物候知识和气象信息。如《尔雅》解释雾霾、风雨、雪霜天气：“地气之发，天不应曰雾”；“风而雨土为霾”；“甘雨时降，万物以嘉，谓之醴泉”；“雨霓为霄雪”等。《黄帝内经》解释云雨天气：“地气上为云，天气下为雨；雨出地气，云出天气。”《诗经》预报雨雪天气：“如彼雨雪，先集维霰”；“天将阴雨，鹳鸣于至”。《吕氏春秋》解释“八风”为：“东北曰炎风，东方曰滔风，东南曰熏风，南方曰巨风，西南曰凄风，西方曰飂风，西北曰厉风，北方曰寒风。”凡此，皆为早期华夏先民洞察自然、辨识天象、预测气象的智慧结晶和文化创举。
逮及汉唐，随着社会的发展进步和科技的日益革新，人们对气象的认知趋于理性、科学和客观。汉代人阐明了二十四节气及七十二物候，发明了湿度计、风速器等气象仪器；提出了“梅雨”“信风”等气象名称，并科学解释了雷电、降水等季节性气候现象；驳斥了雷电是“天取龙”“天惩”“天怒”等陈腐谬论，批判了将降雨归于“天神”的迷信妄说；出现了《易飞候》《四民月令》《论衡·变动篇》《淮南子·本经训》等文献。如《淮南子》指出：“悬羽与炭，而知燥湿之气”；“风雨之变，可以音律知之”。《论衡》提出：“天且雨，琴弦缓。”《西京杂记》记载：汉时长安灵台相风铜乌，“有千里风则动”；“气上薄为雨，下薄为雾，风其噫也，云其气也，雷其相击之声也，电其相击之光也”。凡此，即将古代气象学尤其是气象预报技术引入科学之路，推向新高。而后，两晋盛行“相风木鸟”等测风仪器；北魏贾思勰《齐民要术》载有“天气新晴，是夜必霜”等气象谚语，并提及熏烟防霜、积雪杀虫等方法；《正光历》将七十二气候列入历书；南朝宗懔《荆楚岁时记》提出冬季“九九”为一年最冷时期；隋代杜台卿《玉烛宝典》辑录隋以前节气、政令、农事、风土、典故等文献，保留了不少农业气象佚文。至唐代，创造了相风旌、占风铎、占雨石等气象仪器，区分了十级风力和二十四方位风向，解释了日晕、彩虹、光象等气候现象，诞生了《观象玩占》《乙巳占》《相雨书》等气象经典，涌现出裴行俭、李淳风、李愬等气象学家，并将气象知识更加广泛地应用于生产、生活、军事、政治等重要领域，彰显了自然气象的科学性、实用性和人文性特征。
宋元乃中国古代科技发展的黄金时代，气象知识和研究随之日益勃兴，蔚为大观。较之以往，宋元气象学的科学化趋势更加鲜明，不仅解释了梅雨、龙卷风、季风、雷阵雨等特殊性、区域性气候现象，首创了雨量、雪量等观测技术，而且对大气光象、雷电霜雾等气候现象的认知更为科学、合理，对天气的预报方法也更加多样、准确。如朱熹《朱子语类》论述雷电：“阴气凝聚，阳在内者不得出，则奋击而为雷霆，阳气伏于阴气之内不得出，故爆开而为雷也。”沈括《梦溪笔谈》解释彩虹：“虹乃雨中日影也，日照雨则有之。”陈长方《步里客谈》记述梅雨天气：“江淮春夏之交多雨，其俗谓之梅雨也，盖夏至前后各半月。”叶梦得《避暑录话》论述江南“过云雨”（雷阵雨）、“龙桂”（龙卷风）。苏洵《辨奸论》预报风雨：“月晕而风，楚润而雨。”尤其是沈括《梦溪笔谈·异事篇》对气象、物候之创见，朱思本《广舆图·占验篇》对天、云、风、日、虹、雾、电等航海气象之“占验”，堪称典范。宋元时期为我国古代气象科学发展的重要阶段，其气象之学远绍汉唐根脉，近启明清端绪。