国家气候观象台定位为对气候系统多圈层及其相互作用进行长期、连续、立体观测的综合气象观测站；研究气候系统各圈层物质和能量交换、海陆气相互作用对天气气候和生态系统影响、不同下垫面对天气气候影响的科学研究平台；面向中国国内外、部门内外的开放合作平台；培养造就科技领军人才的人才培养平台。

国家气候观象台观测任务分为基本观测任务和拓展观测任务。基本观测任务包括地面基準气候观测、高空观测、近地层（海面）通量观测、基準辐射观测、地基遥感廓线观测、生态系统监测、大气成分观测等7项，拓展观测任务包括冰川冻土积雪观测、海洋观测、生物圈观测、水文观测、气候资源观测等5项。