В состав обсерватории входят следующие подразделения:

• Отдел динамической метеорологии - занимается изучением и моделированием атмосферной и океанической циркуляции и климата, радиационных и фотохимических процессов в атмосфере. Разрабатывает методы долгосрочных прогнозов погоды, исследует физику пограничного слоя атмосферы (атмосфера-океан).
• Отдел исследований и мониторинга загрязнения атмосферы - создан с целью разработки научных основ теоретического и экспериментального исследования распространения примесей (вредных веществ) в атмосфере, расчета и прогноза загрязнения воздуха, анализа и оценки состояния загрязнения атмосферы в городах и промышленных центрах Российской Федерации.
• Отдел метрологии обеспечивает поверку, калибровку, аттестацию и метрологическое сопровождение средств измерений и испытаний, ведет исследования в данной области.
• Отдел метеорологических измерений разрабатывает методы измерений основных метеорологических элементов и технических средств (датчиков, приборов, измерительно-информационных систем) для метеорологической и авиаметеорологической сетей.
• Oтдел методического руководства и экономических исследований занимается научно-методическим руководством гидрометеорологической сетью, разработкой нормативно-методических документов для обслуживания сети и расчетом стоимости гидрометеорологической продукции.
• Отдел прикладной климатологии ведет исследования в области прикладной (строительной и технической) общей климатологии, микроклиматологии, маркетинговых исследований климатической информации.
• Отдел физики облаков, активных воздействий и радиационных исследований занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями облаков и осадков, разработкой методов активных воздействий на облака и осадки, методов получения спутниковой информации о радиационном балансе и картировании атмосферных осадков.
• Мировой центр радиационных данных занимается сбором и научной обработкой данных о солнечной радиации, поступающих с Мировой радиометрической сети. Сервер мирового центра радиационных данных
• Информационно-вычислительный отдел обеспечивает поддержку и развитие локальной компьютерной сети Обсерватории, информационное сопровождение научных разработок, обработку и ведение архивов актинометрической информации и информации о загрязнении атмосферы на территории России, ведет разработку программ и баз данных.