世界氣象館佔地面積為2000平方米，展館似『雲中水滴』，由四個扁圓球體結合而成，形如雲狀。場地周邊為淺水池，建築『漂浮』在水池中央。建築設計充分融入了節能減排理念，采用的材料可全部回收再利用。外層膜結構和霧狀噴泉設計可以起到降溫、節能、環保的作用，堪稱『會呼吸的皮膚』。

　　建築外觀從氣象概念出發，以『雲』為構思的基本出發點。以四個大小各異、方向不同的白色的扁圓球體相結合，形成的組合體從各個角度看很容易讓人聯想到一朵雲。亮白色的膜結構造整個建築外形，簡單輕便，節省材料，符合臨時建築定位，又有展覽建築需要的亮麗外觀。膜布上均勻布滿點，當噴霧都開啟時候，整個建築呈現一團雲霧的效果，如果陽光高度角小於42度，在中間步行廣場上的觀展游客，面向氣象館，還可能看到包圍建築的彩虹。

　　世界氣象組織、地球觀測組織、歐洲氣象衛星應用組織共同參與了世界氣象館的設計布展工作。在氣象館中，游客可體驗『氣候變化長廊』，體驗球幕4D電影，『小球大世界』、『全球綜合觀測系統演示』、『氣象衛星模型展示』等展項。氣象館將以樹立世界氣象組織、中國氣象局致力於提高氣象防災能力和積極應對氣候變化，努力促進人與自然的和諧的能力和貢獻為主要形象的展覽主線，用展館主題『為了人民的平安和福祉』來契合2010年上海世博會『城市，讓生活更美好』的主題。

　　當觀眾來到4D影院時，感覺將如同站在雲頂，觀看水滴如何演化為雲、霧、臺風、雷電、彩虹等，通過視覺、聽覺、觸覺多種感受，體驗到前所未有的氣象奇景。世博氣象館內還建有一個『世博氣象臺』，這個氣象臺是世界氣象組織的『多災種早期預警系統』示范項目成果的應用，參觀者可以親身體會這種『多災種早期預警理念』將給城市防災減災帶來新的促進，因為它不僅是一個生動的展品，更將在世博期間真正業務化運轉，現場為世博會提供及時、精細的氣象預報和服務。

　　氣候變化長廊以『全球氣候變化與城市的責任』為主線，參觀者可以詳細了解到全球氣候變化給城市、給人們的生活帶來的巨大影響和危害，通過模擬未來氣候變化可能導致的災難，給參觀者以心靈的震撼。從而向參觀者推薦和倡導一種健康綠色的城市生活方式，呼吁參觀者從身邊小事做起，節能減排，共同應對氣候變化。

　　參觀者還可乘『熱氣球』雲中漫步展館內，兩個虛擬卡通導游『雲寶寶』藍藍和朵朵將帶領觀眾搭乘『熱氣球』，從零海拔起飛緩慢昇空，上下迂回，在『熱氣球』中飽覽全世界的氣象奇觀。在『熱氣球之旅』的最後，觀眾可以透過玻璃看到世博氣象臺的日常運作。如果恰巧趕上世界氣象館日，觀眾還能目睹來自世界各國著名氣象主持人的風采。