Das koordinierte System von Methoden und Einrichtungen zur Durchführung von meteorologischen und anderen Umweltbeobachtungen auf globaler Ebene zur Unterstützung aller WMO-Programme; das System besteht aus betriebssicheren boden- und raumgestützten Teilsystemen. Das GOS umfasst Beobachtungseinrichtungen an Land, auf See, in der Luft und im Weltraum. Diese Einrichtungen sind Eigentum der Mitgliedsländer der WMO und werden von ihnen betrieben, die sich jeweils verpflichten, bestimmte Verantwortlichkeiten im Rahmen des vereinbarten globalen Systems zu erfüllen, so dass alle Länder von den konsolidierten Bemühungen profitieren können.

Das Rückgrat des oberflächengestützten Teilsystems bilden nach wie vor rund 11 000 Stationen an Land, die mindestens alle drei Stunden und oft stündlich meteorologische Parameter wie Luftdruck, Windgeschwindigkeit und -richtung, Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit an oder nahe der Erdoberfläche messen.
Die roten Punkten stehen für Messungen an Land, die blauen für Beobachtungen von Schiffen aus.

In einem weltweiten Netz von etwa 1 300 Stationen in der oberen Luftschicht messen Radiosonden, die an frei aufsteigenden Ballons befestigt sind, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit von knapp über dem Boden bis zu einer Höhe von 30 km.
In den Ozeangebieten werden Radiosondenbeobachtungen von etwa 15 Schiffen durchgeführt, die hauptsächlich im Nordatlantik unterwegs sind.

Über den Ozeanen stützt sich das GOS - zusätzlich zu Satelliten - auf Schiffe, verankerte und treibende Bojen sowie stationäre Plattformen. Die Beobachtungen von Schiffen, die im Rahmen des WMO Voluntary Observing Ship (VOS)-Programms rekrutiert wurden, umfassen weitgehend dieselben Variablen wie die der Landstationen, mit den wichtigen Zusätzen von Meeresoberflächentemperatur, Wellenhöhe und -periode. Die Zahl der Beobachtungsschiffe beläuft sich auf etwa 4 000.

Beobachtungen von über 3 000 Flugzeugen werden empfangen, die Berichte über Druck, Winde, Temperatur, Feuchtigkeit, Turbulenzen und andere Parameter während des Fluges liefern. Es sind qualitativ hochwertige Beobachtungen von Winden und Temperaturen auf Reiseflughöhe sowie auf ausgewählten Höhen im Steig- und Sinkflug. Die Menge der von Flugzeugen erfassten Daten ist in den letzten Jahren drastisch gestiegen. Diese Systeme bieten ein großes Potenzial für Messungen an Orten, an denen es nur wenige oder gar keine Radiosondendaten gibt.

Umweltbeobachtungssatelliten gibt es in polnaher und in geostationärer Umlaufbahn, zusätzlich arbeiten mehrere Forschungssatelliten. Polumlaufende und geostationäre Satelliten sind in der Regel mit sichtbaren und infraroten Bildgebern und Sondierern ausgestattet, aus denen viele meteorologische Parameter abgeleitet werden können. Mehrere polumlaufende Satelliten sind mit Sounder-Instrumenten ausgestattet, die vertikale Profile von Temperatur und Feuchtigkeit in wolkenfreien Gebieten liefern können.