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）、应急减灾处、科技预报处、计划财务处和人事教育处；广州市气象台、广州市气候与农业气象中心（广州市遥感与环境气象中心）、广州市气象信息网络中心（广州市突发事件预警信息发布中心）、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）。