В состав ВМО входят Всемирный метеорологический конгресс, Исполнительный совет, региональные ассоциации, технические комиссии и Секретариат. Дополнительные органы учреждаются решением Конгресса.
Всемирный метеорологический конгресс является высшим директивным органом ВМО. Исполнительный совет исполняет решения, принятые Конгрессом.
Шесть региональных ассоциаций отвечают за координацию метеорологической и гидрологической деятельности и деятельности в смежных областях в пределах своих соответствующих Регионов, в то время как технические комиссии, состоящие из технических специалистов, изучают технические вопросы и выносят рекомендации Конгрессу и Исполнительному совету.
В число должностных лиц ВМО входят Президент и три вице-президента, которые также исполняют функции председателя и вице-председателей Конгресса и Исполнительного совета соответственно. Генеральный секретарь руководит работой Секретариата, штаб-квартира которого находится в Женеве.