1807年成立的美国沿海和大地测量局（the U.S.Coast and Geodetic Survey），1870年成立的美国气象局（Weather Bureau），以及1871年成立的美国鱼类和渔业委员会（the U.S.Commission of Fish and Fisheries），三家机构于1970年合并组成了美国国家海洋大气局。使命为：认识和预测气候、天气和沿海变化、共享知识和信息，以及保护和管理沿海及海洋生态系统和资源等。

美国国家海洋大气局有6个直属机构：①国家气象局（NWS）；②国家海洋渔业局（NMFS）；③国家海洋局（NOS）；④国家环境卫星、数据和信息局（NESDIS）；⑤海洋和航空业务部（MAO）；⑥海洋和大气研究部（OAR）。美国国家海洋大气局拥有12000名员工，其中科学家和工程师达6700多名。

在美国国家海洋大气局的组织构架中，国家气象局负责提供天气、水文和气候的预报和警报，也是美国在世界气象组织代表的责任机构。机构中包括了观测、数据处理、资料分析预报与支持、信息传播、科技集成、基础设施等六大部分，以及国家环境预报中心（NCEP）、区域办公室、国家水中心等。国家气象局实行国家—区域—天气预报台三级管理方式，全国共有6个区域气象业务管理机构。国家气象局的6个区域中心，分别为东部、中部、南部、西部、阿拉斯加、太平洋区域中心，区域中心不负责天气预报产品制作，只有协调管理功能。国家气象局的122个天气预报台（WFO）主要承担常规天气预报，为辖区内提供公众﹑近岸水域﹑火灾和主要机场的预报和警报服务。此外还有承担河流预报的中心预报台（全国有13个），负责监视辖区内河流流量和水位，并发布河流水位预测和泛滥警报。承担航空气象预报服务的中心气象台，是位于联邦航空管理局全国21个高空交通管制中心（ARTCC）内的气象部门，负责提供与航空有关的气象信息，并与航空气象中心（AWC）和辖区内各地方气象台等单位协调主要机场和空域的天气预报和警报服务。

在地面观测方面，美国国家海洋大气局可以收集到观测业务资料的地面自动天气观测站共计1002个，其中属于国家海洋大气局的有313个，属于联邦其他部门的570个，另有海军72个、空军47个。美国的气象观测设备，统一采用自动地面观测系统（Automated Surface Observing System；ASOS）。目前美国拥有常规高空观测站102个，国家气象局业务运行的多普勒WSR-88D为主的雷达121部，国防部26部，交通部12部，共计159部。其他非多普勒雷达31部，以及数十部设置在机场的雷达和属于军队和交通部门的雷达。美国已经完成了WSR-88D雷达双偏振改造，可延长服役到2030年左右。美国还是最早开发风廓线雷达的国家，目前国家气象局有35部在运行，部署在美国中小尺度天气灾害频发的中部和南部地区，组成风廓线雷达观测网（NOAA Profiler Network；NPN）。其他部门的80部风廓线雷达组成合作观测网（Cooperative Agency Profilers；CAP）。在雷电监测方面，20世纪末以来建设了国家雷电监测网（National Lightning Detection Network；NLDN），在全国布设了106个监测站。目前与加拿大的闪电定位网共同组成北美闪电监测网（North American Lightning Detection Network；NALDN），共有187个监测站。美国还开展了飞机气象探测，已经形成气象观测业务，军队系统有数十架用于气象探测的飞机，美国国家海洋大气局、美国国家大气研究中心、美国国家航空航天局也有不同性能飞机组成的机队，一些大学和研究单位也拥有专用气象探测飞机。美国在无人驾驶气象探测飞机方面也具有了相当规模。

国家环境卫星、数据和信息局的主要职责是管理运行国家业务环境卫星，提供从卫星和其他来源获取的全球环境数据，管理运行国家环境信息中心，提供数据和信息服务。其核心构架包括卫星应用和研究中心（STAR）、卫星项目管理办公室，以及国家环境信息中心等。美国在轨的11颗极轨业务气象卫星（其中晨昏轨道卫星4颗，上午星1颗，下午星6颗），分属于美国国防部的DMSP系列和NOAA的NOAA卫星系列。2010年，NOAA和NASA组队开发了“联合极地卫星系统”（JPSS，下午轨道卫星），国防部开发了“国防气象卫星系统”（DWSS，早晨轨道），而欧洲气象卫星组织继续为美国提供上午星数据。第一颗JPSS卫星JPSS-1将继承2011年发射的Suomi NPP所开发的技术，于2017年11月发射。

在静止轨道气象卫星方面，第三代“地球静止环境业务卫星”的首颗卫星GOES-R于2016年11月成功发射，并将在2017年11月30日定点在西经75.2°（GOES西部星）的业务轨道，实现业务化。与前两代GOES系统相比，第三代GOES卫星系统的多光谱、空间和时间分辨率分别提高了3倍、4倍和5倍；对西半球所有的闪电活动进行实时探测；监测太阳X射线通量的动态范围、分辨率与敏感度均有所提高，改进了电离层模型；先进基线成像仪采用16通道，取代原来的6通道；转播数据速率是GOES的10倍。其主要载荷包括：先进基线成像仪（ABI）、静止轨道闪电成像仪（GLM）、空间环境原位监测组件（SEISS）、远紫外/X射线辐射遥感器、太阳紫外成像仪（SUVI）等。

海洋和大气研究部主要负责NOAA的研究开发工作，以及一些科研型业务的运行，如大气成分网等。其核心构架是包括空气资源实验室（ARL）、地球系统研究实验室（ESRL）、国家强风暴实验室（NSSL）在内的7个主要实验室。其中空气资源实验室的重点研究领域包括气候观测网（CRN）、城市观测网（URBANET/DCNET）、大气污染扩散和输送、大气边界层和湍流、气象飞机探测、全球能量平衡和水循环等的观测和实验研究。地球系统研究实验室重点研究全球综合观测系统的设计及相关研究，包括大气成分观测和多圈层观测。国家强风暴实验室致力于天气雷达技术发展和业务化，与同在一地的国家风暴预测中心（SPC）、国家雷达运行中心（ROC）、天气预警决策培训中心（WDTB）密切合作，形成全国雷达探测业务和发展中心。