Bay ở độ cao lớn phía trên Trái đất, các vệ tinh thời tiết cung cấp cái nhìn liên tục về mây, độ ẩm, nhiệt độ và các biến số khác trên toàn hành tinh. Các vệ tinh địa tĩnh bay lơ lửng trên một điểm cố định trên đường xích đạo và cung cấp hình ảnh cứ sau vài phút. Các vệ tinh quỹ đạo cực bay ở độ cao thấp hơn và cung cấp phạm vi phủ sóng toàn cầu với độ phân giải cao hơn.

Các thiết bị này đo bước sóng ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại và hơi nước. Dữ liệu thu được giúp tiết lộ cấu trúc bão, theo dõi các xoáy thuận nhiệt đới, giám sát tro núi lửa và ước tính lượng mưa. Máy đo độ sâu thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm theo chiều dọc, bổ sung cho các quan sát từ khinh khí cầu.

Hình ảnh vệ tinh đã trở nên quen thuộc với công chúng qua truyền hình và các trang web. Tại các văn phòng dự báo, dữ liệu tương tự được sử dụng định lượng để khởi tạo và kiểm chứng các mô hình. Mạng lưới vệ tinh thời tiết toàn cầu tạo thành một thành phần quan trọng của hệ thống quan sát.

Các thế hệ vệ tinh mới tiếp tục cải thiện độ phân giải không gian và thời gian.