中国气象科学研究院广泛开展国际交流与合作，先后与俄罗斯、芬兰、加拿大、蒙古、德国、韩国等国家的相关气象科研机构签署了合作协议，并与20多个国际组织和国家的科研机构建立长期合作关系。牵头或参与世界气象组织及其他国际知名机构的多项研究计划，包括WMO华南季风降水试验（SCMREX）、城市环境气象计划（GURME）、第三极区域气候研究中心（TPRCC）、高影响天气国际协调办公室（HIW ICO）、沙尘暴警报和评估系统（SDS-WAS）亚洲区域中心、空气质量监测分析预测国际研究计划联合办公室以及北极大学理事会等重大国际科学计划。组织筹备牵头“亚-澳-非季风科学试验及次季节研究”大科学计划；与美国、欧盟的科研机构和高校形成相对稳定的合作，22项国际合作中包括有与NOAA合作气溶胶辐射特性观测联合研究，纳入中美双边合作；与芬兰气象局在与气候变化和空气质量相关的大气成分研究合作，纳入中芬双边合作；与国际空间科学研究所-北京（ISSI-BJ合作进行高原积雪深度和雪盖面积大气再分析资料评估等。近5年成功举办了14次国际学术交流大会。目前，有23名科学家在20个国际重要学术组织中任职，7名专家曾担任IPCC AR5主要作者和评审专家。2007年11月被科技部授予示范性国际科技合作基地，2007年11月世界气象组织国际沙尘暴预警咨询评估系统（WMO SDS WAS）的亚太中心落户我院，2013年10月被获准为北极大学理事会准会员。