Le service météorologique de l'observatoire débute ses activités le 1er décembre 1881. A la tête d'un réseau départemental de trente stations, officiellement créé à la fin de la décennie, il publie en 1890 un premier bulletin météorologique qui rassemble les mesures effectuées par les aides de l'observatoire en 1885, 1886 et 1887. On trouve dans ce bulletin la liste du matériel acquis grâce aux fonds du conseil général : un pluviomètre, un baromètre à mercure Tonnelot qui équipera par la suite la salle méridienne, un baromètre enregistreur Redier, un baromètre enregistreur Jules Richard, un thermomètre enregistreur sans doute dû au même fabricant, un anémoscope enregistreur Redier, un anémomètre enregistreur Redier et un électromètre enregistreur Mascart. L'observatoire complète l'instrumentation fournie par le conseil général avec les instruments suivants : un thermomètre étalon, une série de thermomètres à minima et maxima, plusieurs thermomètres pour la température du sol à diverses profondeurs (10 et 30 cm sous le gazon), un appareil pour la détermination des points 0° et 100°, un récepteur à neige (en 1889), un actinomètre, un héliographe Campbell (en 1886) et un hygromètre enregistreur Jules Richard. Le service assure à la fin du 19e siècle huit observations trihoraires : pression barométrique, température de l'air, humidité relative, direction et force du vent, nébulosité, direction et vitesse des nuages ; la durée effective d'insolation est mesurée par l'héliographe Campbell. Jusqu'au début du 20e siècle, les appareils sont installés dans deux endroits bien identifiés. Le parc météorologique, à l'est du domaine, comprend une cabane, un enclos, une girouette, le moulinet de l'anémomètre, le pluviomètre et le neigeomètre. Le second endroit se trouve au coeur du parc, entre les coupoles de l'altazimut et de l'équatorial photographique : outre la tourelle de l'anémoscope, on y trouve un abri météorologique et le pilier de l'héliographe. D'après la documentation iconographique, ces derniers ne sont plus à cet emplacement en 1914. Une photographie datée de 1926 montre qu'ils ont été regroupés dans le parc météorologique, à proximité de l'enclos. Un autre abri météorologique, isolé, était également installé à l'ouest de la grande glacière, pour un usage indéterminé. L'hygromètre enregistreur (aussi appelé enregistreur baro-thermo-hygromètre) et les thermomètres à minima et maxima ont par ailleurs été utilisés par Paul Chofardet pour effectuer des relevés météorologiques lors de la mission envoyée à Cistierna, en Espagne, pour l'observation de l'éclipse totale de Soleil en août 1905. A partir de 1932, les informations sont recueillies par un poste installé dans le bâtiment de la petite méridienne et tenu par deux personnes recrutées par l'Office national météorologique (fondé en 1920). En 1945, le service de la Météorologie nationale, tout juste créé, se voit confier la station, qui devient indépendante. De nouveaux locaux sont construits pour elle en 1983 et 1984 et son parc instrumental, transféré à côté de la petite méridienne en 1945, est déplacé à l'ouest du pavillon du coudé en 2001. L'observatoire conserve encore divers instruments météorologiques anciens lesquels, pour la majorité d'entre eux, faisaient sans doute partie de la dotation initiale du service, à l'exception de l'anémo-cinémographe (acquis en 1921) et du psychromètre à aspiration (3e quart du 20e siècle).