上古时期，先民们在对天地万物的探索中，产生了女娲补天、大禹治水、后羿射日、愚公移山等等神话故事，先民们用神话来歌颂与天斗其乐无穷的英雄主义精神，从这些神话中不难看出，古人对于自然气象已经有了一定的认识。对于农耕民族来说，四季的变迁，气候的变化与日常生活息息相关，特别是对农耕生产活动至关重要。竺可桢先生在《中国过去在气象学上的成就》里曾经提到过：“气象学是人类在生产斗争中最迫切、最需要、最基本的一种知识。人们若不能把握寒暑阴晴的规律，无论衣食住行都会发生问题的。积了多年的经验，到周代前半期，我们的祖先已经搜集了许多气象学的经验，播为诗歌，使妇孺统可以传诵。”现在流传下来的关于夏商周三代时期的气象观测记录，大多数是通过巫祝和民歌保留下来的。
　　安阳殷墟和郑州商城出土的众多的卜骨中，有大量的占卜天气现象的卜辞，比如“今日其雨，至于丙辰，雾不雨”“帝令雨足年？帝令雨弗其足年？”“壬寅卜，贞今日王其田軎，不遘大风。其遘大风”“庚寅卜，古贞，虹，不惟年”等等。甚至在编号2287和2288的两块卜骨上连续记录了四十天卜雨的卜辞，是我国早期极为珍贵的气象资料，不过当时关于气候的占卜，不仅仅是为农业生产服务的，更多的还是与祭祀仪式、田猎等等政治活动有关。在这个时期，在宗庙中已经出现了专门负责观察气候节令的官员，到了秦汉时期，国家气象天文机构发展的更加完善，秦代“候星气者至三百人”，汉代负责天象观测最高长官称为太史令，主要工作包括记载史事，编写史书，管理国家典籍、天文历法、祭祀等等，下辖官员有近百名，我国著名的史学家、文学家司马迁就担任过这个职务。其后历代官方的观测机构一直逐步发展，到了明清时期的钦天监，已经具备了很大的规模。与此同时，观测天象逐渐成为具有官方性质的行为，甚至其中多数的官员也是世袭产生的，少数从民间选拔的官员也要经历严格的考核，而且历朝都规定，观测天象气候的书籍仪器以及相关知识，都不能随意传授给其他人。
　　古人们长期观测总结气象物候的成果就是历法，《夏小正》是我国现存最早的一部历书，撰者已无考，相传夏禹曾“颁夏时于邦国”，但是根据学者的研究，认为这本历法应该成书于战国到汉代之间，原文被收录在《大戴礼记》中，后來全篇随着《大戴礼记》在唐宋时期散佚而不存，但宋代傅嵩卿将当时两个版本的《夏小正》汇集成《夏小正传》，从而保留下了《夏小正》的大部分内容，因此学者们认为这本书虽然在流传中丢失了一部分内容，后人也进行了增加和删改，但总体来说还是反映了三代时期的物候、气象和重大事件。

　　正如竺可桢先生所说的，诗歌是记录气象学的经验的媒介，《诗经》作为我国第一部诗歌总集，记录了先秦时代各个阶层各个地区人们的生活习俗、风景乃至社会活动等等内容，自然界中风雨雷电，霜雪露虹自然也是这些诗歌的描写对象，“风雨如晦，鸡鸣不已”“凯风自南，吹彼棘心”“我来自东，零雨其濛”“北风其凉，雨雪其雱”，这些诗句或用自然气候来营造意境，或用风雨雪晴来隐喻抒发感情，或记载了当时重要的事件。这些诗歌对气候现象的描写，透露出当时人们对于天气现象朴素原始的认识，也记录下了先秦时代一些重要的气候事件，比如《大雅·云汉》记载了西周末年发生了旱灾，周宣王祭祀祈雨的事件。从这个方面来看，《诗经》也是一个重要的历史气象档案。

　　在我们日常生活中，最为人熟知的古代历法就是二十四节气，二十四节气的诞生经历了漫长的时间，在周代末期，古代的人们已经熟练掌握了利用日影来测定冬至夏至的方法，《左传》和《孟子》中已经明确的提及了两分两至，《吕氏春秋》里记载的十二月中，出现了立春、雨水、霜降等节气，一直到两汉时期《淮南子》，才出现了完整的二十四节气的名称。二十四节气对于指示季节、物候的变化和农业生产具有非常重要的意义，直到现在还深刻地影响着现代人的生活。古人对于测定季节变化有着许多方法，有的靠观察物候，有的靠观察星象，《梦溪笔谈》引晋司马彪《续汉书》的内容记载有用律琯测量地温来观测季节变化的实例，“候气之法，于密室中，以木为案，置十二律琯，各如其方，实以葭灰，覆以缇縠，气至则一律飞灰。”葭灰是芦苇茎里薄膜制成的灰烬，缇縠是很轻的绸纱，按照这个说法，在地下阳气上升的时候，管中的葭灰会被吹出，所以杜甫《小至》中才会写“天时人事日相催，冬至阳生春又来。刺绣五纹添弱线，吹葭六琯动飞灰”。这种方法最早出现于蔡邕的《月令章句》，但是实际上古代很多天文学家就对这个方法持怀疑态度，历朝历代都有人对此进行实验，但是少有成功的案例，因此这个方法到底实用与否，还有待科学的验证。 　　为了更好地观测天气的变化，掌握气象的规律，在古代先民长时间观天过程中，创造了许多观测气象的仪器，这些仪器有的只留存在史料记载中，有的则留存下了实物遗存，甚至直到现在还在使用。
　　古代最原始的測风器叫做“旈”或者“斿”，本来指飘带状的旗子，最开始大约是用布帛做成的旗子，后来逐渐演变成了用细绳编织鸡毛做成三四尺长的旗子，系在五丈长的旗杆上进行测风。后来到了唐五代，逐渐就变成了缀着小金铃的五色旗子。除了这种相风旗，还有一种现在仍旧在使用的测风仪器，叫做相风乌，就是用木头或者铜作成鸟的形状安装在杆子顶端，看鸟头的朝向来测风向，《三辅黄图》卷四引郭延生《述征记》曰：“长安宫南有灵台，高十五仞，上有浑仪，张衡所制。又有相风铜乌，遇风乃动。”英国著名的科学史家李约瑟曾认为，它“可能就是现代四转杯风速表的先驱”。汉代的测风鸟和测风旗的实物早已湮灭不存，但是在汉代的壁画墓里，还依稀存有测风旗和相风鸟的样子。而随着建筑形式的发展，这种测风装置后来逐渐变成了具有装饰功能的建筑构件，多修建在高大建筑和佛寺高塔顶部，始建于金代的山西省浑源县圆觉寺塔塔顶，就留存有一只相风铁乌。

　　雨水，是最为直接影响农业生产的因素。因此从农耕出现开始，人们就非常关注降水量问题。自先秦时期起地方就要按时向中央上报降水量，云梦睡虎地秦简中记录了当时关于呈报雨泽的法律条文，规定地方要向中央汇报“稼已生后而雨，亦辄言雨少多，所利顷数”。到了明清时代，雨水情况甚至要按月奏报，不能延误。古人对于降水量的测量方式在《九章算术》中有过相应的记载，这些方法包括“圆罂测雨”“天池测雨”“竹器验雪”等，天池是盆装容器，而圆罂是一种坛状容器，当时人们已经认识到接雨容器所接到的雨水并不等于降水量，认为天池接到的雨水深九寸的话，折算成降雨只有三寸。除了《九章算术》中的方法，还有一种民间常用的方法是观察雨水浸湿土地的深度来衡量雨量，《皇朝经世文编》引《凤台县志论食货》里记载：“不及寸谓之一锄雨，寸以上谓之一犁雨”。
　　早在秦汉时期，人们就已经知道大气湿度会影响物体的状态，通过长期的观察，总结出“风雨之变，可以音律知之”（《淮南子·本经训》）“天且雨，琴弦缓”（《论衡·变动篇》）等等空气湿度和物体张力变化的关系。还发现了炭吸湿性和蒸发力都很强，因此可以“悬羽与炭而知燥湿之气”。

　　雷电对于古人来说是一种威力巨大的神秘现象，一般被称为雷、震或者霆，古人们认为雷电是神灵力量的作用，《神异经》里描写东王公与玉女玩投壶游戏，投不中时“天为之笑则电”，后来逐渐出现了雷公电母风伯雨师的传说，《周易》《震》卦里用“震来虩虩”“震遂泥”等等各种不同描述来描写雷声的状态。《尚书》里也记载了一则关于雷阵雨的略带神异的事件：
　　武王去世之后，管叔和他的几个弟弟散布谣言说周公要对成王不利，周公就留居在东方，秋天要收割庄稼的时候，突然发生了雷电大风天气，不仅吹倒了大树，田中的作物也都尽数倒伏，“邦人大恐”，周成王和大夫们打开之前装着周公祷告册书的匣子，发现周公愿意替代武王身死，这时成王才知道周公的功德，认为这场灾祸来源自“天”的警告和表彰周公的功德，于是亲自出城去迎接周公，这时天下着雨，又反方向刮起了大风，把倒下的庄稼吹起来了，太公召公命令人们把树木压倒的庄稼起来都扶起来，“岁则大熟”。可见古代人自觉不自觉地，将天地间的自然现象和统治者是否失德以及重要的社会事件联系到一起，这也源自于古人对于“天”的崇拜和敬畏。
　　古代劳动人民经历了长期的农业实践和气象观察之后，逐渐总结出一整套预报天气的方法，这些方法被总结成一条条谚语，一直流传到了现在，比如“早霞不出门晚霞行千里”“日晕三更雨，月晕午时风”“八月十五云遮月，正月十五雪打灯”等等。这些谚语虽然是由长期的观察总结而来的经验，但实际上都是有科学依据的，比如雷电一般都伴随着降雨发生，古代人经常通过观测雷电来预测风雨，比如有一句谚语叫做“南闪千年，北闪眼前”。意思是在夏季的夜空，闪电在南预示着久晴无雨，叫“热闪”，在北预示着很快就要下雨，被称作“北辰闪”。根据学者的研究，认为在夏秋之际，冷空气由北向南移动，闪电在北方，说明冷空气马上就要到来，也就是降雨就要到来，闪电在南方，说明冷空气已经移动过去了，接下来将是晴朗的天气。
　　中国历朝历代对于气候现象的观测都有着卓越的成就和贡献，这与天文气象在古代被认为是神明加以崇拜，乃至衍生出特殊的政治作用和政治意义有着分不开的关系，与此同时，经过一代又一代的观察、积累和实践，又出现了二十四节气、农谚等等关于古代气候的珍贵的文化遗产，这些遗产将来自古人天人合一的宇宙观一直流传到了现代社会，也成为了现代中国人精神传承的一部分。