Vệ tinh khí tượng thường có hai loại quỹ đạo cơ bản: quỹ đạo địa tĩnh (vệ tinh địa tĩnh) và quỹ đạo cực.

Vệ tinh khí tượng địa tĩnh

Vệ tinh khí tượng địa tĩnh bay vòng quanh Trái Đất phía trên xích đạo ở độ cao khoảng 35.880 km (22.300 dặm). Ở quỹ đạo này, các vệ tinh có chiều quay cùng chiều với Trái Đất, do đó nó có vị trí cố định so với mặt đất. Do đó, nó có thể truyền các hình ảnh của bán cầu phía dưới liên tục bằng các máy ảnh và bộ cảm biến hồng ngoại của nó. Các hãng thông tấn đưa tin tức về thời tiết dùng các ảnh từ vệ tinh này trong các chương trình dự báo thời tiết như là các ảnh chụp, hoặc ghép lại thành ảnh động để thể hiện sự thay đổi thời tiết. Chúng cũng có sẵn trên các trang dự báo của www.noaa.gov.

Hiện nay, có nhiều vệ tinh khí tượng địa tĩnh đang được sử dụng. Hoa Kỳ có sáu vệ tinh đang hoạt động thuộc dòng GOES (vệ tinh). GOES-15, GOES-16 và GOES-17. GOES-16 và GOES-17 theo thứ tự vẫn hoạt động trên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương.[11] GOES-15 sẽ kết thúc sứ mệnh vào đầu tháng 7 năm 2019.[12] Trước đó Mỹ cũng đã có ba vệ tinh thời tiết và đã hoàn thành sứ mệnh bao gồm GOES-12 được mệnh danh là GOES-East, nằm phía trên sông Amazon và cung cấp hầu hết thông tin thời tiết của Hoa Kỳ. GOES-10 còn được gọi là GOES-West nằm ở trên phía Đông Thái Bình Dương. GOES-9 cho Nhật mượn thông qua một thỏa thuận quốc tế do vệ tinh GMS-5 của Nhật đã hư hỏng và việc phóng vệ tinh thay thế (vệ tinh MTSAT-1) thất bại; nó bay trên vùng giữa Thái Bình Dương.

Vệ tinh thời tiết thế hệ mới của Nga Elektro-L No.1 hoạt động ở tọa độ 76°Đ trên Ấn Độ Dương. Nhật Bản có MTSAT-2 nằm ở giữa Thái Bình Dương ở tọa độ 145°Đ và Himawari 8 ở 140°Đ. Châu Âu có các vệ tinh Meteosat-8 (3,5°T) và Meteosat-9 (0°) bay trên Đại Tây Dương và Meteosat-5. Meteosat-6 (63°Đ) và Meteosat-7 (57,5°Đ) bay trên Ấn Độ Dương. Nga có vệ tinh GOMS bay trên xích đạo phía Nam Moskva. Ấn Độ cũng có vệ tinh địa tĩnh gọi là INSAT chứa các thiết bị thời tiết. Trung Quốc có vệ tinh Phong Vân (Tiếng Anh: Feng-Yun, Tiếng Trung Quốc: 風雲) là vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh được phóng gần đây nhất là FY-2E,,FY-2F và FY-2G hoạt động lần lượt tại kinh độ 86,5°Đ, 123,5°Đ và 105°Đ.

Vệ tinh quỹ đạo cực bay vòng quanh Trái Đất ở độ cao từ 850 km (530 dặm) từ hướng bắc đến nam hoặc ngược lại và đi ngang qua các địa cực trên đường đi. Vệ tinh quỹ đạo cực có quỹ đạo đồng bộ mặt trời , có nghĩa là nó có thể quan sát bất kỳ vị trí nào trên trái đất và mỗi ngày 2 lần với cùng điều kiện ánh sáng vì giờ địa phương chỗ nó đi qua gần như không thay đổi. Các vệ tinh thời tiết quay quanh cực cung cấp độ phân giải tốt hơn nhiều so với các vệ tinh địa tĩnh do gần Trái Đất hơn.

Hoa Kỳ có những vệ tinh NOAA là vệ tinh khí tượng quỹ đạo cực, hiện tại NOAA-15 và NOAA-18, NOAA-19 (POES) và NOAA-20 (JPSS). Châu Âu có vệ tinh MetOp-A và MetOp-B vận hành bởi EUMETSAT. Nga có những vệ tinh Meteor và RESURS. Trung Quốc có FY-3A, 3B và 3C. Ấn Độ cũng có những vệ tinh quỹ đạo cực.

Ảnh chụp ánh sáng bình thường của vệ tinh khí tượng chụp ban ngày người bình thường vẫn có thể hiểu được; mây, hệ mây như bão nhiệt đới, hồ, rừng, núi, tuyết, cháy, ô nhiễm, khói, sương mù... đều hiện ra. Ngay cả gió vẫn có thể xác định được dựa trên hình dạng mây, cách sắp xếp và sự di chuyển từ những bức ảnh trước đó.

Ảnh hồng ngoại và ảnh chụp nhiệt độ được chụp bằng các sensor cho phép các nhà phân tích xác định độ cao và loại mây, tính nhiệt độ mặt đất và mặt nước, đặt điểm mặt biển. Các ảnh hồng ngoại mô tả những xoáy nước trên biển và bản đồ các dòng hải lưu có giá trị kinh tế và công nghiệp hàng hải. Ngư dân và nông dân cũng cần biết nhiệt độ mặt đất và mặt nước để bảo vệ mùa màng trước sự băng giá hoặc tăng sản lượng đánh bắt trên biển. Hiện tượng El Niño cũng có thể được xác định. Dùng kỹ thuật tô màu ảnh kỹ thuật số, các sắc độ xám của ảnh được chuyển thành các màu để xác định các thông tin mong muốn một cách dễ dàng.