Le thermomètre est l'instrument le plus basique et essentiel de la météorologie, utilisé depuis le XVIIe siècle pour mesurer la température de l'air. Les premiers thermomètres à mercure ont été développés par Daniel Gabriel Fahrenheit (1714) et Anders Celsius (1742). Aujourd'hui, les plus utilisés dans les stations météorologiques sont les thermomètres électroniques (thermistances, thermorésistances PT100) qui envoient des données numériques aux réseaux d'observation.
Pour que la mesure soit représentative, le thermomètre doit être installé dans un abri météorologique standard (Stevenson screen) : à 1,5 m du sol, sur gazon naturel, protégé du rayonnement solaire direct mais bien ventilé. Une mesure au soleil direct peut donner 15-20 °C de plus que la température réelle de l'air.
Les thermomètres à maxima et minima enregistrent les extrêmes de la journée. Le record mondial de température maximale est de 56,7 °C dans la Vallée de la Mort (Californie, 1913), et le minimum de -89,2 °C à Vostok (Antarctique, 1983). En Espagne, les extrêmes vont de -32 °C (Estany Gento, Lleida) à 47,6 °C (La Rambla, Cordoue, 2023). Instruments associés : baromètre, hygromètre, anémomètre.