A numerikus időjárás-előrejelzés matematikai modelleken alapul, amelyek valós időjárási adatok segítségével becslik meg a légkör jövőbeli állapotát; a koncepciót Lewis Fry Richardson már 1922-ben felvetette, de gyakorlatilag csak a számítógépek elterjedése után vált megvalósíthatóvá. Az első sikeres előrejelzést 1950-ben készítették el az ENIAC nevű géppel Jule Charney, Philip Thompson, Larry Gates és a norvég Ragnar Fjörtoft meteorológusok. A módszer a légkört folyadékként kezeli, és azokat a bonyolult termodinamikai és folyadékdinamikai egyenleteket, amelyeknek analitikus megoldása nem létezik, napjaink legnagyobb teljesítményű szuperszámítógépeivel számolják ki. A modellek lehetnek globálisak (az egész Földet lefedők) vagy regionálisak (korlátozott területűek), ez utóbbiak jóval részletesebb felbontást adnak, a futásukat pedig műholdak, radioszondák és felszíni mérőállomások adatait felhasználó adatasszimilációs eljárások indítják el. Végül, mivel az azonos kiindulási adatokból dolgozó különböző modellek eltérő eredményeket produkálnak, a modell együttes alkalmazása segíti a bizonytalanságok feltárását és az előrejelzések időtartamának kiterjesztését.