Датой создания Гидрометслужбы России принято считать 26 апреля 1834 года, когда указом императора Николая I в Санкт-Петербурге при Горном институте была учреждена 
Нормальная магнитно-метеорологическая обсерватория. Это был первый шаг к созданию регулярной сети геофизических наблюдений в России. Россия вступила на путь интенсивного изучения метеорологических условий и широкого применения полученных знаний, опередив в этом многие страны. Российская метеорологическая служба стала образцом для основания аналогичных служб многих зарубежных стран и внесла важный вклад в создание основы для международного сотрудничества в области метеорологии.
Первым руководителем Гидрометеорологической службы был назначен академик Адольф Яковлевич Купфер. По его инициативе в 1849 году была создана Главная физическая обсерватория (ГФО, ныне Главная геофизическая обсерватория), на которую возлагалось «производство физических наблюдений и испытаний в обширном виде и вообще для исследования России в физическом отношении». 
С этого периода в России началась организация сети метеорологических станций. К 1856 году функционировало 13 метеорологических станций, а к 1872 году их количество возросло в два раза. В дальнейшем число станций неуклонно росло.
В XIX веке в Российской Империи создавались ведомственные метеорологические сети (станции Морского министерства, лесного департамента и департамента земледелия, дождемерная сеть Министерства путей сообщения и др.)
С 1874 года при ГФО стали составляться штормовые предупреждения для моряков, причем их оправдываемость в 1899 году достигала 80%.
В 1884 году академик М.А. Рыкачёв подготовил проект «Программы по организации метеорологических наблюдений», предусматривающий создание единой инструкции для всех станций любого подчинения, которые должны были производить наблюдения приборами, прошедшими поверку. Это позволило получать надежную информацию, которую можно анализировать, сравнивать, обобщать, использовать в научной деятельности. На основании полученных данных с 1892 года Главной физической обсерваторией стал издаваться «Метеорологический ежемесячник».
В 1913 году по представлению академика М. А. Рыкачёва Государственным советом был подготовлен закон, касающийся Гидрометслужбы, позволявший существенно увеличить её финансирование и возможности.
Огромный ущерб наблюдательной сети нанесла Гражданская война, к 1920 году осталось работать лишь около 350 станций.
Переломным моментом в истории гидрометслужбы стало принятие 21 июня 1921 года Советом Народных Комиссаров РСФСР «Декрета об организации метеорологической службы РСФСР». В период с 1921 по 1929 годы шел активный процесс создания метеорологических бюро в союзных республиках, краях, областях. Они стали прообразом созданных затем территориальных УГМС и ЦГМС.
7 августа 1929 года было принято постановление о создании Единой гидрометеорологической службы СССР.
1 января 1930 года в Москве в соответствии с постановлением Правительства Советского Союза о создании единой метеорологической службы государства рабочих и крестьян было образовано Центральное бюро погоды СССР, ныне – Гидрометцентр России.
30 января 1930 года в Павловской аэрологической обсерватории под Ленинградом состоялся запуск первого метеорологического радиозонда, изобретенного советским метеорологом 
Павлом Молчановым. Радиозонд в автоматическом режиме измерял температуру, давление, скорость и направление ветра, передавая данные на землю в цифровой кодировке. Начало регулярного высотного радиозондирования атмосферы и построение на основе этих данных оперативных карт барической топографии (с информацией о погоде на различных высотах) существенно способствовало развитию синоптической метеорологии.
К 1941 году в состав Гидрометслужбы страны входили республиканские и территориальные управления, пять крупных центральных научно-исследовательских институтов, два высших учебных заведения, три техникума и более 200 оперативных органов службы прогнозов погоды и водного режима.
В начале 40-х годов ХХ века русский (советский) ученый-гидромеханик, метеоролог Кибель Илья Афанасьевич применил знания гидромеханики, а точнее уравнения гидротермодинамики, к прогнозированию состояния атмосферы, предложив фундаментальный принцип уравнений гидромеханики – разложение по малому параметру. Развитие численных методов тесно связано с появлением и совершенствованием ЭВМ (компьютеров), первые численные прогнозы стали применяться уже с 50-х годов прошлого века, сначала для прогноза барических полей.
С началом Великой Отечественной войны Гидрометеорологическая служба страны была переведена в состав Красной Армии и выполняла как работы для военных, так и для гражданских нужд. Личный состав всех видов гидрометеорологических подразделений во время войны был переведен на военное или полувоенное положение. Это обеспечило четкую работу гидрометеорологических станций и постов, производственных учреждений и служб, учебных заведений и позволило сохранить уникальные кадры специалистов Гидрометслужбы. Гидрометеорологическое обеспечение боевых действий Вооруженных Сил в период Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. является одной из ярких страниц деятельности службы, внесшей неоценимый вклад в разгром немецко-фашистских захватчиков.
В послевоенные годы происходило дальнейшее активное преобразование и усиление службы. В 1950-е годы было создано пять новых региональных научно-исследовательских институтов – в Киеве, Ташкенте, Владивостоке, Тбилиси и Алма-Ате. В 1960-е годы в службу был передан ещё ряд институтов, в том числе Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. В Обнинске была создана мощная научно-экспериментальная база службы, включающая такие институты, как ИЭМ (ныне НПО «Тайфун»), ВНИИГМИ-МЦД, ВНИИСХМ, Центральное конструкторское бюро. Был образован Западно-Сибирский НИГМИ в Новосибирске. Были укреплены действующие и создан ряд новых экспериментальных баз. Произошло расширение, укрепление сетей и оперативных органов на местах.
Также в 60-е годы XX века стали активно использоваться новые ценные источники получения информации: радиолокаторы и искусственные спутники Земли. Радиолокаторы в основном используются для наблюдения за полями облачности и осадков. Спутниковые методы используются в области метеорологии, гидрологии, океанологии, изучения природных ресурсов.
В 1970-е годы перед гидрометслужбой была поставлена новая важная государственная задача – создание службы мониторинга загрязнения природной среды и службы активных воздействий на гидрометеорологические и геофизические процессы и явления. В 70-е – 80-е годы по всей стране начали создавать стационарные пункты наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха. В 1982 году Северо-Кавказская военизированная служба приступила к организации первого в системе Госкомгидромета СССР Аксаутского военизированного противолавинного отряда.
Престройка, распад СССР и последовавший глубокий социально-экономический кризис 1990-х годов оказали крайне негативное воздействие на российскую гидрометеорологическую службу. Количество пунктов наблюдений вынужденно сократилось в среднем на 30%, в отдалённых районах Сибири и Дальнего Востока на 50%. К концу 1990-х годов более половины средств наблюдений выработали сроки эксплуатации. Многие здания и сооружения пришли в ветхое состояние. В эти годы благодаря самоотверженному труду сотрудников был предотвращён
развал государственной гидрометеорологической службы.
В начале XXI века масштабный рост экономики страны создал предпосылки для перехода к восстановлению и техническому перевооружению гидрометеорологической службы. Наблюдательные подразделения были оснащены современным оборудованием: автоматическими метеорологическими, гидрологическими, осадкомерными комплексами и др. В дополнение к основной метеорологической сети установлены автоматические метеорологические станции.
В настоящее время Гидрометслужба России функционирует как самостоятельная Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В ее состав входит 7 территориальных органов, 25 территориальных управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС), все УГМС имеют в своём составе региональные центры по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС), расположенные в центрах регионов РФ (областей, краёв, республик). Постоянно действует несколько тысяч стационарных наблюдательных пунктов: 1 230 метеорологических станций, 2 204 гидрологических постов, 624 пункта наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и др.
Российская группировка спутников метеорологического и природно-ресурсного назначения включает в себя двенадцать космических аппаратов. Два геостационарных спутника и 
десять полярно-орбитальных спутников. Один из них – «Арктика-М» – первый в мире гидрометеорологический спутник, запущенный на высокоэллиптическую орбиту, обеспечивает полное покрытие северной территории Российской Федерации и Арктического региона Земли. Его запуск положил начало созданию системы круглосуточного спутникового мониторинга Арктической зоны планеты.
В феврале 2024 года был запущен спутник «Метеор-М» № 2-4. Он оснащен уникальным оборудованием, которое позволяет ему видеть сквозь облака, проводить мониторинг акватории морей и океанов, в частности Северного морского пути, и участвовать в прогнозировании ледовой обстановки, а также выполнять экологические задачи.
Флот Росгидромета состоит из 9 научно исследовательских судов, проводящих исследования в морях и океанах на различных широтах. Экспедиционная деятельность позволяет получать регулярные данные о процессах, происходящих в Мировом океане, его пространствах и ресурсах, необходимые для обеспечения безопасности и эффективности деятельности российских организаций в океанах и морях.
При Росгидромете действует единственный в мире Арктический плавучий университет. Эта уникальная научно-образовательная морская экспедиция проводится на базе ФГБУ «Северное УГМС» на борту НИС «Профессор Молчанов» и НЭС «Михаил Сомов». Экспедиции реализуются с 2012 года при поддержке Русского географического общества и Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Во время экспедиций молодые ученые-исследователи Арктики на практике получают знания и навыки в реальных условиях северных морей.
Летом 2022 года Введена в строй уникальная ледостойкая самодвижущаяся платформа «Северный полюс». Судно предназначено для создания на его основе постоянной дрейфующей станции для проведения круглогодичных исследований в высоких широтах Северного Ледовитого океана. ЛСП «Северный полюс» позволило
возродить круглогодичные экспедиции в высоких широтах Северного Ледовитого океана и известную во всем мире программу дрейфующих полярных станций «Северный полюс», основанную советскими учеными в 1937 и приостановленную в 2013 году в связи с потеплением климата в Арктике.
19 мая 2023 года в Салехарде был открыт первый пункт Государственной системы фонового мониторинга состояния многолетней мерзлоты. Комплексная сеть наблюдения за мерзлотой будет включать 140 пунктов, производящих непрерывные автоматические измерения температуры мерзлоты на разных глубинах.
Ледостойкая самодвижущаяся платформа «Северный полюс», гидрометеорологический спутник «Арктика-М», а также Арктический плавучий университет вошли в список Топ-100 главных достижений современной России в проекте «Россия – страна достижений».