氣象雷達透過方向性很強的天線向空間發射脈衝無線電波，它在傳播過程中和大氣發生各種相互作用。如大氣中水汽凝結物（雲、霧和降水）對雷達發射波的散射和吸收；非球形粒子對圓極化波散射產生的退極化作用，無線電波的空氣折射率不均勻結構和閃電放電形成的電離介質對入射波的散射，穩定層結大氣對入射波的部分反射；以及散射體積內散射目標的運動對入射波產生的多普勒效應等。

氣象雷達回波不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、尺度、移動和發展變化等宏觀特性，還可以根據回波訊號的振幅、相位、頻率和偏振度等確定目標物的各種物理特性，例如雲中含水量、降水強度、風場、鉛直氣流速度、大氣湍流、降水粒子譜、雲和降水粒子相態以及閃電等。此外，還可利用對流層大氣溫度和溼度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規律，由探測得到的對流層中溫度和溼度的鉛直分佈求出折射率的鉛直梯度，並透過分析無線電波傳播的條件，預報雷達的探測距離，也可根據雷達探測距離的異常現象（如超折射現象）推斷大氣溫度和溼度的層結。