广州市气象局的前身是广州气象站，始建于1949年12月8日，同年12月11日开始工作。广州市气象局为副省级市气象局，下辖9个区、县级市气象机构：番禺区气象局、花都区气象局、增城市气象局、从化市气象局、南沙区气象局、萝岗区气象局、白云区气象局、海珠区气象局（筹建中）、荔湾区气象局（筹建中）。广州市气象局及所辖各区、县级市气象局实行以上级气象主管机构为主与本级人民政府双重领导的管理体制。
广州市气象局内设4个机构：办公室（广州市气象局行政执法办公室、监察审计室与其合署办公）、业务科技处、计划财务处和人事教育处；广州市气象台（广州市气象预警信号发布中心）、广州市气候与农业气象中心（广州市遥感与环境气象中心）、广州市气象技术装备中心、广州市防雷设施检测所和广州市防雷减灾管理办公室5个处级事业单位。
广州全市有地面气象观测站5个（未含南沙），其中1个国家基准气象观测站，1个国家基本气象观测站，3个国家一般气象观测站。全市共建成186个WP3103型无人值守自动气象站，形成广州市自动气象站探测网，GPS/MET水汽通量站5个。广州新一代多普勒雷达2001年4月建成，位于番禺区南村镇，是广东省中尺度灾害性天气监测预警系统建设的重要组成部分。2004年，番禺区气象局安装了芬兰维萨拉自动气象站的设备，2004年3月安装了大气气溶胶观测站和紫外线探测仪。2006年建成视频会商系统，实现省、市、县视频天气会商。2008在南沙气象探测基地建成一部激光雷达（型号为LAP-3000）。
广州天气预报业务始于20世纪30年代初，现时气象信息服务产品包括，广州市天气预报与应用，中长期天气预报，气象信息等。2000年4月1日广州市下发《广州市防御热带气旋、暴雨方案》，第一次公开通过各种媒介发布天气预报预警信号。2003年7月29日起，经广州市人民政府批准，广州市气象局率先在全国正式对外发布高温预警信号。
广州气象部门开展的气象服务包括：
1.公众气象服务通过电视、电台、报纸为广大市民提供各种气象信息，主要产品包括森林火险等级预报，空气质量预报，紫外线预报，地质灾害预警预报等等；
2.专业与专项气象服务针对一些重点工程、工厂、港口码头、交通运输部门等的特殊需要提供服务；
3.空气质量预报主要预报产品有：污染气象条件、空气质量预报、人体舒适度、紫外线预报、负离子浓度、中暑指数、风寒指数、霉变指数、火险指数、穿衣指数、雨伞指数、晨练指数、郊游指数等，每天通过电视、网站、报纸等媒体发布；
4.防雷业务主要有防雷设施设计、审核、工程竣工验收、定期检测、雷灾调查、雷击风险评估、防雷科普、防雷工程施工资质审查等业务。
广州市局已建立了防灾气象警报网，力求气象服务深入到镇、村，甚至农户。
