Музей представляет собой коллекцию приборов, применявшихся для метеорологических наблюдений с начала организации систематических наблюдений (с 1843 г.), а также собрание документов, результатов наблюдений и научных обобщений по основным разделам метеорологии и по крупным прикладным исследованиям с разработкой их теоретических обоснований.
В коллекции музея представлена галерея портретов учёных Главной геофизической обсерватории, внесших наиболее существенный вклад в развитие метеорологической службы России. В постоянной экспозиции музея представлены приборы и установки, демонстрирующие совершенствование соответствующих измерений в историческом развитии. Экспозиция собрана по основным разделам измерений. Наиболее полно представлены приборы для измерения атмосферного давления, солнечной радиации и других метеорологических элементов.
Научная работа музея проводится в соответствии с планом мероприятий по совершенствованию экспозиций, подготовке выставок и научных статей к юбилейным датам. Экскурсии для школьников содержат сведения по природоведению: погода, злементы погоды, климат и приборы для сбора сведений о погоде. Для студентов вузов и специалистов Росгидромета проводятся тематические экскурсии по истории и совершенствованию отдельных видов метеорологических измерений.
