Die Forschung und Entwicklung des DWD wird von drei Säulen getragen: Grundlagenforschung, Vorlaufforschung und der angewandten Forschung und Entwicklung. Im Rahmen der Grundlagenforschung werden systematisch neue Erkenntnisse gewonnen. Die Vorlaufforschung bereitet auf Basis der Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung Problemlösungen vor. Mit der angewandten Forschung und Entwicklung wird schließlich die Überführung der Forschungsergebnisse aus der Grund- und Vorlaufforschung in die operationelle Praxis sichergestellt.
Der DWD führt eigene Forschungsprogramme durch, um die Forschung und Entwicklung in den drei Säulen zu unterstützen. Aktuell wird die Säule der angewandten FuE durch das DWD-interne Forschungsprogramm IAFE (Innovation in der angewandten Forschung und Entwicklung) unterstützt. Für die Vorlaufforschung werden Forschungsaufträge an externe wissenschaftliche Einrichtungen in Rahmen der extramuralen Forschung vergeben. Durch den Aufbau des Hans-Ertel-Zentrums für Wetterforschung und Klimamonitoring wird die meteorologische Grundlagenforschung in Deutschland erheblich gestärkt.