中國氣象科學研究院廣泛開展國際交流與合作，先后與俄羅斯、芬蘭、加拿大、蒙古、德國、韓國等國家的相關氣象科研機構簽署了合作協議，并與20多個國際組織和國家的科研機構建立長期合作關系。牽頭或參與世界氣象組織及其他國際知名機構的多項研究計劃，包括WMO華南季風降水試驗（SCMREX）、城市環境氣象計劃（GURME）、第三極區域氣候研究中心（TPRCC）、高影響天氣國際協調辦公室（HIW ICO）、沙塵暴警報和評估系統（SDS-WAS）亞洲區域中心、空氣質量監測分析預測國際研究計劃聯合辦公室以及北極大學理事會等重大國際科學計劃。組織籌備牽頭“亞-澳-非季風科學試驗及次季節研究”大科學計劃；與美國、歐盟的科研機構和高校形成相對穩定的合作，22項國際合作中包括有與NOAA合作氣溶膠輻射特性觀測聯合研究，納入中美雙邊合作；與芬蘭氣象局在與氣候變化和空氣質量相關的大氣成分研究合作，納入中芬雙邊合作；與國際空間科學研究所-北京（ISSI-BJ合作進行高原積雪深度和雪蓋面積大氣再分析資料評估等。近5年成功舉辦了14次國際學術交流大會。目前，有23名科學家在20個國際重要學術組織中任職，7名專家曾擔任IPCC AR5主要作者和評審專家。2007年11月被科技部授予示范性國際科技合作基地，2007年11月世界氣象組織國際沙塵暴預警咨詢評估系統（WMO SDS WAS）的亞太中心落戶我院，2013年10月被獲準為北極大學理事會準會員。