アメリカ国立気象局
連邦航空局や国防総省と共同で、自動地上気象観測システム (Automated Surface Observing System, ASOS) を国内に展開している。多くは空港の近くに置かれており、定時飛行場実況気象通報式 (METAR) として1時間ごとに観測データが通報されている。1890年からASOSが展開されるまでの間、WFO等以外に国土をカバーする気象観測拠点は、ほぼボランティアによって運営される共同観測者システム (Cooperative Observer Program, COOP) のみであった。現在も11,000人がこれに参加している。
海洋では、国立データブイセンター (National Data Buoy Center, NDBC) が約90か所の海洋気象ブイと約60か所の沿岸観測点 (C-MAN) を設置している。風向・風速・突風のデータのほか、海水温、波高、伝導率、水流などを観測して提供している。また、これを補うためにボランティアのVoluntary Observing Ship (VOS) 事業が行われている。1,000隻近い船から得られる無線の気象情報 (略式) を集約して変換し、国際間の情報網に提供している。
高層気象に関しても、北アメリカで92か所、カリブ海で10か所からラジオゾンデを飛ばして、気圧、温度、湿度を高度ごと・時間ごとに観測している。Skew-T図やステューフェ図にデータを記入すると、各地点の大気の状態を分析できる。観測データはAMDARという形式で国際網に送信されるが、一般利用はできない。
また、レーダーに関してはドップラー・レーダーの観測網NEXRADが整備されており、技術的にはほぼ世界最先端である。
フィラデルフィアにあるフランクリン研究所の気象学者ジェームズ・エスピー(James Espy)は、1831年から同所の気象観測網を使って気象月報を発行し始めたが、陸軍が駐屯地での観測結果の提供の協力を申し出たため、1834年9月に委員長をエスピーとする気象合同委員会が設立されて、観測結果の収集が行われた。これはまだ不完全なものだったが、アメリカで実質的に国家が関与する初めての気象観測網となった。
1846年にワシントンにスミソニアン協会(Smithsonian Institute)が設立されると、その初代理事長であったジョゼフ・ヘンリーは、アメリカ国内に気象観測網を設立した。これは民間によるものだったが、手法や基準が統一された本格的な組織的気象観測網であり、電報を利用した即時的な天候情報の収集も行われた。しかし、南北戦争と1865年のスミソニアン協会本部の火事により、その機能は停止した。
当時五大湖では嵐による海難が多発しており、それを懸念したハルバート・ペイン下院議員(Halbert E. Paine)は、議会に国家気象機関の設立を請願した。連邦議会はこれを承認し、1870年にユリシーズ・グラント大統領は設立の法案に署名した。これは当時、南北戦争で荒廃した国土再建の旗印となる事業が必要であった面もあった。
国家気象機関は、1870年2月9日にアルバート・マイアー准将の下で陸軍信号部(Signal Corps)に置かれた。