西安市气象局始建于民国20年（1931年），时称西安测候所，位于现西安市革命公园。新中国成立后，更名为陕甘宁边区政府水利局气象所。1988年4月更名为西安市气象局。2004年、2006年，先后建成西安多普勒天气雷达站、西安泾河国家基准气候站。主要负责西安地区气象事业的发展规划、建设、行政管理，气象探测资料的获取、收集、传输，气象监测、预报管理，气候资源的开发利用等工作。经过不断建设和发展，现已形成了由地面、高空、农业气象、太阳辐射、酸雨、卫星云图接收等组成的布局较合理的气象监测系统；建立了包括气候分析应用和预测、农业气象、人工影响天气等现代化气象信息加工处理服务系统；建立了以市气象台为中心，上联省气象局，下联各县（区）气象局的计算机气象信息网络和通讯系统。

西安市气象局内设4个处室，6个直属事业单位，下属6个县（区）气象局。 

全市有国家基准站1个，一般气候站6个，高空观测站1个。其中有2个站参加国际气象资料交换，另有48个乡镇雨量点，1个酸雨点，1个沙尘暴观测点，1个太阳辐射观测点。有701测风雷达1部，多谱勒天气雷达1部。