1949年5月和1950年12月，為迅速恢復和發展上海氣象事業，由上海市軍管會先后接管上海氣象臺和徐家匯觀象臺。徐家匯觀象臺氣象業務并入上海氣象臺。1951年1月上海氣象臺遷入原徐家匯觀象臺。1953年8月1日，氣象部門從軍隊建制轉建為政府建制。1954年1月，為適應國防建設和經濟建設以及人民氣象事業發展的需要，上海氣象臺經過充實整頓后改建為上海中心氣象臺，負責發布華東區及沿海的氣象預報及業務技術指導。1956年5月，上海氣象局成立，統一管理江蘇、浙江兩省和上海市的氣象工作，上海中心氣象臺屬其領導。中共上海市委任命馬步英為局長。1959年5月，經上海市人民委員會報請國務院批準，上海市氣象局正式宣布成立，統一領導上海市氣象臺站。上海市氣象局與上海中心氣象臺合署辦公。劉次恭任局長兼上海中心氣象臺臺長。1970年9月，氣象部門實行軍隊和地方雙重領導，并以軍隊為主的領導體制。同年10月，市氣象局劃歸上海警備區為主領導，軍代表孔謙主持全局工作。1973年8月，中共上海市氣象局委員會成立，牟敦高任黨委書記，寧遠任副書記，駐局軍代表撤離。1978年1月市氣象局成立海洋氣象臺和上海市氣象科學研究所（上海臺風研究所）。同年4月，局黨委改設局黨組。萬輝任黨組書記、局長。1983年10月，中共上海市委和國家氣象局黨組任命王雷為市氣象局局長，1985年1月，又任命王雷為市氣象局黨組書記。1988年5月20日上海區域氣象中心成立，承擔華東氣象通信樞紐和對區域內氣象臺站的業務技術指導工作，并負責西太平洋氣象服務。1998年3月，盛家榮任市氣象局黨組書記、局長，2004年11月至今湯緒任市氣象局黨組書記、局長。

上海市氣象局機構設置包括，機關：辦公室、應急與減災處、觀測與預報處、科技發展處、計劃財務處、人事處、政策法規處、監察審計處、機關黨委辦公室、離退休干部辦公室；事業單位：上海中心氣象臺、中國氣象局上海臺風研究所、上海氣候中心、上海海洋氣象臺、上海氣象信息與技術支持中心、上海氣象科技服務中心、上海市防雷中心、上海氣象信息傳媒中心；區縣局：上海市浦東新區氣象局、上海市閔行區氣象局、上海市寶山區氣象局、上海市嘉定區氣象局、上海市青浦區氣象局、上海市金山區氣象局、上海市松江區氣象局、上海市奉賢區氣象局、上海市崇明縣氣象局；以及氣象學會。

上海市氣象局實行中國氣象局與上海人民政府雙重領導，以中國氣象局領導為主的管理體制，在中國氣象局和上海人民政府領導下，根據授權承擔上海行政區域內氣象工作的政府行政管理職能，依法履行《中華人民共和國氣象法》和氣象主管機構的各項職責。 1.制定上海地方氣象事業發展規劃、計劃，并負責上海行政區域內氣象事業發展規劃、計劃及氣象業務建設的組織實施；負責上海行政區域內重要氣象設施建設項目的審查；對上海行政區域內的氣象活動進行指導、監督和行業管理。 2.按照職責權限審批氣象臺站調整計劃；組織管理上海行政區域內氣象探測資料的匯總、分發；依法保護氣象探測環境；管理上海行政區域內涉外氣象活動。 3.在上海行政區域內組織對重大災害性天氣跨地區、跨部門的聯合監測、預報工作，及時提出氣象災害防御措施，并對重大氣象災害作出評估，為上海市人民政府組織防御氣象災害提供決策依據；管理上海行政區域內公眾氣象預報、災害性天氣警報以及農業氣象預報、城市環境氣象預報、火險氣象等級預報等專業氣象預報的發布。 4.制定人工影響天氣作業方案，并在上海市人民政府的領導和協調下，管理、指導和組織實施人工影響天氣作業；組織管理雷電災害防御工作，會同有關部門指導對可能遭受襲擊的建筑物、構筑物和其它設施安裝的雷電災害防護裝置的檢測工作。 5.負責向上海市人民政府和同級有關部門提出利用、保護氣候資源和推廣應用氣候資源區劃等成果的建議；組織對氣候資源開發利用項目進行氣候可行性論證。 6.組織開展氣象法制宣傳教育，負責監督有關氣象法規的實施，對違反《中華人民共和國氣象法》有關規定的行為依法進行處罰，承擔有關行政復議和行政訴訟。 7.統一領導和管理上海行政區域內氣象部門的計劃財務、機構編制、人事勞動、科研和培訓及業務建設等工作；會同區縣人民政府對區縣氣象機構實施以部門為主的雙重管理；協助區縣黨委和人民政府做好當地氣象部門的精神文明建設和思想政治工作。 8.負責華東區域災害性天氣的跨省聯防、氣象業務及科研開發的協作協調和技術交流協調。 9.承擔中國氣象局和上海市人民政府交辦的其它事項。