L'opera scientifica di Galileo Galilei e dei suoi discepoli mutò in modo radicale anche gli studi sui fenomeni atmosferici, tradizionalmente trattati come sterile commento ai testi aristotelici o come semplice raccolta di dati osservativi. La moderna meteorologia, intesa come scienza che si occupa dell'atmosfera terrestre e dei fenomeni che in essa avvengono, nacque infatti alla corte medicea di Firenze.

L'esperimento di Evangelista Torricelli, eseguito nel 1644, dimostrò l'esistenza del vuoto, inaugurando un intenso periodo di ricerche barometriche culminanti con gli studi di Giovanni Alfonso Borelli sulle connessioni fra variazioni barometriche e clima. L'esperimento portò all'invenzione del barometro, uno dei principali strumenti meteorologici.

Oltre al barometro, durante il Seicento fu inventato il termometro e furono perfezionati l'igrometro, l'anemometro e il pluviometro. La meteorologia strumentale nacque e si affermò definitivamente nell'ambito dell'Accademia del Cimento (1657-1667). Il termoscopio galileiano fu dotato di una scala e trasformato effettivamente in termometro. I termometri fiorentini, realizzati da abili tecnici conosciuti come i "Gonfia", si imposero per un lungo periodo nella comunità scientifica. Francesco Folli da Poppi, Vincenzo Viviani, lo stesso Granduca Ferdinando II idearono igrometri di vario tipo mentre Benedetto Castelli progettò un efficace pluviometro.

Nel 1654 il Granduca Ferdinando II istituì la prima rete meteorologica, un evento di fondamentale importanza per lo sviluppo della meteorologia. Nel periodo compreso fra il 1654 e il 1667 Luigi Antinori coordinò infatti una rete osservativa comprendente stazioni di rilevamento italiane e straniere. Si trattava del primo tentativo di raccolta sistematica di dati osservativi descrittivi e strumentali provenienti da luoghi geografici diversi, tramite l'utilizzazione di strumenti omogenei e l'adozione di procedure di rilevamento il più possibile uniformi. L'aspetto rivoluzionario dell'impresa scientifica promossa dal Granduca Ferdinando II consisteva proprio nell'adozione di questo metodo, più che nella reale ed effettiva comparabilità delle effemeridi meteorologiche provenienti dalle stazioni di rilevamento: dalla vicina Vallombrosa, come dalle lontana Varsavia o Innsbruck.

Durante il Settecento la grande tradizione meteorologica fiorentina fu ripresa e continuata, anche se in tono minore, grazie all'attività dell'Accademia dei Georgofili e dell'Imperiale e Regio Museo di Fisica e Storia Naturale di Firenze. L'interesse per gli studi sui fenomeni atmosferici fu in gran parte connesso al progetto riformistico leopoldino di sviluppo dell'agricoltura Toscana. L'opera di scienziati come Giovanni Fabbroni e Giovanni Targioni Tozzetti costituì la nascita della moderna agrometeorologia.

Agli inizi dell'Ottocento un importante centro di studi meteorologici era rappresentato dall'Osservatorio Ximeniano, dove dal 1813 le osservazioni meteorologiche non furono più irregolari e subalterne rispetto alle osservazioni astronomiche. In quella data l'allora direttore Giovanni Inghirami attivò infatti un Osservatorio meteorologico a tutt'oggi operativo.

Nel 1839 Vincenzo Antinori, direttore del Museo di Fisica e Storia Naturale di Firenze e convinto assertore dell'importanza della meteorologia, promosse e realizzò la Stazione Meteorologica Centrale Italiana. Il suo progetto, esposto durante i Congressi degli Scienziati tenutisi nella prima metà dell'Ottocento, si arrestò nel 1858 con la pubblicazione dell'Archivio meteorologico centrale italiano.

Due anni dopo fu installato sotto la Loggia dell'Orcagna lo spettacolare termometro e barometro di Filippo Cecchi. I meccanismi e il quadrante dello strumento sono oggi conservati presso l'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze. Nel 1883 Firenze, in omaggio alla sua indiscussa centralità nella storia della meteorologia, fu scelta come sede del primo Congresso della Società Meteorologica.