1974年，成立北京市气象科学研究所。

1999年，中国气象局与北京市人民政府共同组建北京城市气象工程技术研究中心。

2002年，在国家公益类院所改革中，成立中国气象局北京城市气象研究所，成为中国气象局“一院八所”国家级专业研究所之一。

2016年9月，中国气象局北京城市研究所深化气象科技体制改革，为成立研究院奠定基础。

2018年5月，由北京大学数学科学学院、北京城市气象研究院、中国科学院大气物理研究所和北京大数据研究院联合成立气象大数据实验室。

2018年10月，获得中国气象局批复，正式更名为“北京城市气象研究院”。