Các quốc gia là thành viên của Liên hợp quốc có Cơ quan Khí tượng - Thuỷ văn và đồng ý gia nhập Công ước của WMO đều có thể trở thành thành viên của WMO. Các lãnh thổ hoặc các nhóm lãnh thổ do một quốc gia thành viên WMO hoặc Liên hợp quốc chịu trách nhiệm về quan hệ quốc tế của lãnh thổ này cũng trở thành thành viên của WMO.Cơ cấu tổ chức của Tổ chức Khí tượng Thế giới bao gồm

• Đại hội đồng: Đại hội đồng gồm tất cả các thành viên của tổ chức bốn năm họp một lần tại trụ sở của WMO (Giơnevơ). Trưởng đoàn phải là người đứng đầu Cơ quan Khí tượng - Thuỷ văn quốc gia. Chức năng của Đại hội đồng là: đề ra các biện pháp chung nhằm thực hiện tốt tôn chỉ, mục đích của Tổ chức đã đề ra; xem xét các khuyến nghị của các nước thành viên về các vấn đề liên quan đến thẩm quyển của tổ chức; xem xét các báo cáo của Hội đồng Chấp hành, quyết định việc thành lập các Hội khu vực, các Uỷ ban kỹ thuật, các vấn đề về tài chính, ngân sách và pháp lý v.v; bầu Ban lãnh đạo của Tổ chức.
• Hội đồng chấp hành: Gồm 36 thành viên trong đó có: Chủ tịch, ba Phó Chủ tịch, sáu Chủ tịch của sáu khu vực và 26 thành viên. Hội đồng Chấp hành họp ít nhất mỗi năm một lần, là cơ quan hành pháp có nhiệm vụ triển khai thực hiện các quyết định của Đại hội đồng.
• Các Hội khu vực: WMO có sáu tổ chức khu vực và được chia theo vị trí địa lý, cụ thể như sau:
  • Khu vực 1: châu Phi
  • Khu vực 2: châu Á
  • Khu vực 3: Nam Mỹ
  • Khu vực 4: Bắc và Trung Mỹ
  • Khu vực 5: Tây Nam Thái Bình Dương
  • Khu vực 6: châu Âu.

Hội nghị khu vực họp khi cần thiết, thời gian và địa điểm họp do Chủ tịch khu vực ấn định với sự chấp thuận của Chủ tịch của tổ chức.*Ban Thư ký: Đứng đầu là Tổng thư ký do Đại hội đồng bầu, nhiệm kỳ 4 năm. Tổng Thư ký hiện nay là ông Michel Jarraud (quốc tịch Pháp) và các nhân viên kỹ thuật, hành chính cần thiết để thực hiện các công việc của tổ chức.

• Các Uỷ ban kỹ thuật: WMO có tám Ủy ban kỹ thuật: Uỷ ban về khí quyển, về hệ thống cơ bản, về khí động học, về thuỷ văn, về khí hậu, về khí tượng biển, vv…

Ngân sách hoạt động: Là một tổ chức chuyên môn có tính chất tư vấn về kỹ thuật, do đó ngân sách của WMO không lớn, bao gồm:Đóng góp của UNDP chiếm 54%; Đóng góp tự nguyện của các nước thành viên cho Chương trình giúp đỡ tự nguyện chiếm 23%; Đóng góp của các nước thành viên cho Quỹ giúp đỡ đặc biệt chiếm 19%; Đóng góp thường xuyên của các nước thành viên chiếm 4%.

Một số chương trình hoạt động chủ yếu của WMO: Đào tạo về phương pháp quan trắc; Dự báo bão nhiệt đới; Nghiên cứu khí hậu thế giới; Cung cấp dữ liệu dự báo thời tiết khí hậu; Nghiên cứu quan hệ giữa khí hậu và môi trường; Nghiên cứu về vật lý, hoá chất trong các đám mây và tác động của chúng đến sự biến đổi khí hậu; Áp dụng kỹ thuật tổng hợp trong bảo vệ mùa màng và chống hạn hán, sa mạc hoá; Nghiên cứu khí hậu đại dương và tác động đến các hoạt động trên biển; Sử dụng và khai thác các nguồn nước; Vai trò điều phối của WMO trên phạm vi toàn cầu.