Trước năm 2017, dịch vụ Khí tượng hàng không do Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam và Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam cùng đảm nhiệm, cung cấp. Từ ngày 01/01/2017, Bộ Giao thông vận tải quyết định chuyển giao nguyên trạng dịch vụ Khí tượng hàng không từ Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam về Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam.
Trong giai đoạn ban đầu, để đảm bảo dịch vụ Khí tượng hàng không (KTHK) sau khi chuyển giao từ Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam về Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam được an toàn, thông suốt, ổn định và hiệu quả, dịch vụ Khí tượng hàng không do 03 Trung tâm Khí tượng hàng Nội Bài, Đà Nẵng, Tân Sơn Nhất trực thuộc 03 Công ty Quản lý bay khu vực (Công ty Quản lý bay miền Bắc, miền Trung, miền Nam) và Trung tâm Cảnh báo thời tiết thuộc Trung tâm Quản lý luồng không lưu bảo đảm, cung cấp.
Nhằm xây dựng một hệ thống bảo đảm dịch vụ KTHK được thống nhất, chuyên nghiệp, xuyên suốt trong toàn quốc với chất lượng sản phẩm dịch vụ được nâng cao, đáp ứng yêu cầu của khách hàng, được sự đồng ý của Bộ Giao thông vận tải và Cục Hàng không Việt Nam, ngày 04/11/2020, Hội đồng thành viên Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam đã ban hành Quyết định số 662/QĐ-HĐTV thành lập Trung tâm Khí tượng hàng không trên cơ sở sắp xếp, tổ chức lại các cơ sở cung cấp dịch vụ KTHK thuộc Tổng công ty Quản lý bay Việt Nam trước đây.
Trung tâm Khí tượng Hàng không chính thức đi vào hoạt động từ ngày 01/01/2021 với các chức năng, nhiệm vụ.