大致可分为冠层、林内及林缘附近气象三个部分。林冠是森林的主要作用面，林冠通过光合作用制造有机物质。其结构（包括叶面积指数、叶角、叶形、叶和枝干的分布等几何结构和叶的光学性质等）直接影响着森林中的物质流和能量流。森林气象学中能量、水量和动量平衡问题均集中在林冠层中。太阳辐射通过林冠时发生再分配；树木叶片对不同波长辐射的反射和吸收规律是不同的，红外光约有70%被反射，被吸收的不多。而光合有效辐射仅有6%～12%被反射，被吸收的可达70%以上。这种反射、吸收和透过林冠的不同波段辐射的比例，还同太阳高度角、林冠的几何结构有关。林冠每次可截留3～10毫米以下的降水，每年的截留量随树种、林冠的郁闭程度、该年的降水量、降水性质及降水的时间分配等变化。因此，冠层辐射平衡和热量平衡、水分平衡、动量平衡是冠层气象形成的主要物理基础。冠层气象因素不仅包括温度与湿度、风速、辐射强度及CO₂浓度等状态量参数，还涉及水、热、碳通量等过程量参数。冠层气象学内容是利用森林调节气候和科学营造森林、提高森林生物生产力的理论基础；林内气象观测范围一般涉及林冠层以下的林中空间以及林地土壤。对比空旷地，在大部分情况下，林内微气象特点是：光照低、风速小、湿度大、最高气温低和最低气温高，温度日变化和年变化都比较小；林缘附近气象观测要素除包括常规气象要素外，还涉及大气质量参数。大气质量参数是城市森林气象重要观测内容。

利用仪器观测森林气象要素已有200多年历史。1745年，就有人在美国纽约进行树干内温度的研究。19世纪中叶，欧洲因工业快速发展，加速了对森林的砍伐，威胁了生态环境，人们由此而关注森林采伐对气象及气候的影响。为此，德国和奥地利等国家相继设置林内林外气象比观测站。1862年，在德国萨克森州建立的双联森林站属于最早的一批观测站。1924年，德国慕尼黑大学森林气象研究室首次在林地建造观测塔观测研究气象要素的垂直分布。中国森林气象观测研究工作始于1954年。21世纪，随着传感器及数据采集技术的不断进步，世界各国森林气象观测设备普遍实行自动化，大力支撑了森林气象学及森林水文学等相关学科的发展。