由于微波具有穿透性，微波遥感在云雨大气探测方面具有特别的优势。微波遥感有主动和被动之分。通常所说的微波大气遥感特指被动微波大气遥感，主动微波大气遥感则被称为雷达探测（见天气雷达）。

按观测方式被动微波大气遥感可分为地基观测和天基/空基观测两大类。前者一般自下向上观测，背景是简单的大气层外宇宙辐射，因此地基微波大气遥感可以获取特定地点较高精度的大气温湿廓线信息，且在底层大气参数反演方面更具有优势。天基/空基被动微波大气遥感自上而下观测，可以在很大空间范围内获取大气三维结构信息。应用最为广泛的被动微波大气遥感就是卫星微波遥感。

从波段设置上讲，星载微波大气遥感仪器分为微波探测仪和微波成像仪。微波探测仪选择氧气、水汽吸收带，设计一组或多组探测通道，利用通道之间微波透过率的差异获取不同高度层的大气微波辐射，据此反演大气温、湿廓线和水成物含量。为了得到更加准确的大气温度、湿度探测结果，微波探测仪往往不追求很高的空间分辨率，而是确保良好的通道带宽、探测灵敏度和定标精度。微波成像仪主要为反演大气水成物而设计，它的通道一般选择在大气吸收带之间的“透明”区，以减小各种气体成分对水成物探测和反演的影响。

最早的星载微波大气遥感仪器可以追溯到1972年美国云雨卫星上装载的多通道扫描微波辐射计（SMMR），SMMR资料的获取奠定了人类利用空间微波观测技术获取全球降水的基础。此后的专用微波成像仪（SSMI）、先进微波扫描辐射计（AMSR）等微波成像仪性能不断提升，降水反演精度也不断提高。泰罗斯卫星装载的MSU是首个业务空间微波大气探测载荷，它验证了利用氧气吸收通道实现微波大气探测并应用于数值预报的可能。此后的先进微波探测器（AMSU）、微波湿度探测器（MHS）等仪器拓展了探测通道、提高了灵敏度，其观测数据在数值天气预报中发挥了决定性作用。

近年来微波大气遥感仪器有将探测与成像合二为一的趋势，典型的载荷就是美国国家极轨卫星协作计划（NPP）上装载的先进技术微波探测仪（ATMS）。2008年，风云三号A星上装载了微波成像仪（MWRI）、微波温度计（MWTS）和微波湿度计（MWHS），填补了中国气象卫星微波大气探测的技术空白。