Inicialment s’hi refongué el Servei Aerològic de Barcelona, fundat el 1913 pel mateix Fontserè. Rafael Patxot hi sostingué un centre d’estudi de núvols, el qual donà origen a la Secció Nefològica, de renom internacional. El 1922 el servei inaugurà a la península Ibèrica la previsió diària del temps arreu de Catalunya, aprofitant la xarxa telefònica de la Mancomunitat per a rebre les informacions, i el 1927 s’amplià amb informacions públiques per radiofonia. El 1929 organitzà a Barcelona la reunió de la comissió internacional per a l’estudi dels núvols, on hom decidí la publicació de l’Atlas internacional dels núvols, amb edicions en anglès, francès, alemany i català. El 1930 publicà, entre d’altres, l’Atlas pluviomètric de Catalunya. En 1933-34 el Servei disposà del vaixell de guerra Xauen per a la realització d’un pla d’observacions per la costa catalana i constituí (1934) la Comissió de l’Estudi de la Mar de Catalunya. Posà en funcionament, també el 1934, un observatori a Sant Jeroni (Montserrat) i bastí el del turó de l’Home (Montseny). El 1939 les instal·lacions del Servei Meteorològic de Catalunya foren destruïdes pels franquistes i el seu arxiu i la seva biblioteca duts a Madrid.
Amb la recuperació de les institucions d’autogovern (1979), la Generalitat de Catalunya recuperà gradualment les competències en matèria de meteorologia. El 1995 fou instal·lada a l’Observatori Fabra una estació automàtica de vigilància atmosfèrica, base de la xarxa de control del sistema meteorològic català. El 1996 la Generalitat creà el Servei de Meteorologia de Catalunya, inscrit en el procés de restauració del Servei Meteorològic de Catalunya. L’1 d’agost de 2002, el Servei Meteorològic de Catalunya es convertí de ple dret en empresa pública adscrita al Departament de Medi Ambient i recuperà el nom històric de l’any 1921, adoptà el logotip actual i s’identificà amb la marca Meteocat, cedida desinteressadament per l’Associació Catalana d’Observadors Meteorològics. Des del 2006 té com a marca meteo.cat com a resultat de l’adopció del domini .cat en la seva pàgina web, i des del 2010 està adscrit al Departament de Territori i Sostenibilitat.