Первые метеорологические наблюдения в г. Вологда начались в 1806 году при городской гимназии (сейчас ВоГТУ) и проводились с перерывами до 1852 года. В октябре 1875 года при телеграфной станции на улице Лермонтова создается первая стационарная метеорологическая станция, которая проработала до 1880 года. Наблюдения на ней проводились три раза в сутки в 7, 13 и 21 час. В 1884 году стационарные наблюдения были возобновлены при реальном училище (ныне средняя школа № 1).
В ноябре 1919 года в пос. Молочное при молочном институте была открыта метеостанция, где проводились не только метеорологические, но и агрометеорологические наблюдения. С сентября 1935 года вся сеть метеостанций России, в том числе и Вологодская, перешли на 4-х срочные наблюдения – в 01, 07, 13 и 19 часов.
24 октября 1938 года в 3 км от города в пос. Прилуки была открыта авиационная метеостанция, названная "Вологда – Прилуки", полученные данные использовались в первую очередь для обеспечения полетов. Не прекратила свою работу метеорологическая станция и в годы Великой Отечественной войны, даже в сложных условиях специалисты выполняли программу наблюдений. В 1943 году метеорологические наблюдения были дополнены радиозондированием атмосферы.
В 1947 году в Вологде было открыто гидрометеорологическое бюро (ГМБ Вологда) с целью обслуживания народного хозяйства города и области, начальником которого был назначен Михаэль Янкель-Израильевич Гурков. В октябре 1951 года возобновила работу агрометеостанция в пос. Молочное, а в сентябре 1959 года метеоплощадка была перенесена на 2 км к югу в деревню Марфино.
В 1968 году создается Гидрометеорологическая обсерватория (ГМО Вологда), директором которой был назначен Николай Прокопьевич Ларионов.
29 апреля 1968 года, после закрытия станции в д. Марфино, в 11 км к северу от Вологды в д. Семенково-2, на территории опытно-мелиоративной станции, открывается агрометстанция Вологда-Семенково.
В 1972 году на базе ГМО Вологда, АЭ и агрометстанции в Вологде была создана Зональная гидрометобсерватория (ЗГМО Вологда).
В 1973 году на территории аэропорта «Вологда» в 1,5 км на северо-восток от села Прилуки, был установлен и введен в эксплуатацию, радиолокационный метеорологический радиолокатор МРЛ-2.
В марте 1974 года в городе создается группа мониторинга по загрязнению атмосферного воздуха (ГРВЗА) и начаты систематические наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха на двух постах, а 1 июня начинает свое существование комплексная лаборатория по мониторингу загрязнения окружающей среды в городе Вологда.
26 сентября 1979 года метеоплощадка в Семенково-2 была перенесена на 300 м к северу к новому зданию станции. Позднее в мае 1980 года здесь обретет свое постоянное место и аэрологическая станция Вологда.
В 1987 году ЗГМО Вологда преобразована в центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, начальником была назначена Маргарита Христофоровна Шарыгина.
16 апреля 2001 года на территории Вологодской области организованно государственное учреждение «Вологодский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», начальником которого являлась Вера Степановна Полякова.
С 2010 года в рамках модернизации на метеорологических станциях начинается установка автоматизированных метеорологических комплексов (АМК), а на гидрологических постах установка автоматизированных гидрологических комплексов (АГК).
В августе 2011 года Вологодский ЦГМС переезжает в новое административное здание по адресу г.Вологда, ул.Лаврова, д.15
16 ноября 2011 года в соответствии с приказом Росгидромета от 10.08.2011 № 420 была проведена реорганизация в результате чего «Вологодский ЦГМС» стал филиалом ФГБУ Северное УГМС.
В конце декабря 2013 года рядом с МРЛ-2, был установлен новый метеолокатор ДМРЛ-С.
Памятные даты в истории гидрометеорологических наблюдений на территории Вологодской области:
1840 - Начало метеорологических наблюдений в Великом Устюге;
1848 - Начало метеорологических наблюдений в г. Тотьме;
1873 - Начало метеорологических наблюдений в г. Никольске;
1874 - Начало метеорологических наблюдений в г. Белозерске;
1876 - Начало метеорологических наблюдений в г. Вытегре;
1884 - Начало метеорологических наблюдений в г. Череповец;
1885 - Начало метеорологических наблюдений в г. Устюжне;
1885 - Открыт водомерный пост на реке Вологда, начаты стационарные наблюдения за уровнем воды в р. Вологда;
1915 - Начало метеорологических наблюдений в г. Бабаево;
1925 (октябрь) - Начало метеорологических наблюдений в п. Вожега;
1928 (ноябрь) - Начало метеорологических наблюдений в с. Чарозеро;
1937 (14 октября) - Начало метеорологических наблюдений в д. Коробово (Вологодский район);
1956 - Открытие станции в д. Биряково (Сокольский район);
2009 - Открытие метеостанции Яршево (Кирилловский район).
