Ngày 11/7/1994, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Nghị định số 62/NĐ-CP quy định về chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Tổng cục Khí tượng Thủy văn. Đồng thời với việc quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Tổng cục Khí tượng Thủy văn là sự ra đời của các Đài Khí tượng Thủy văn khu vực trên cơ sở sáp nhập của các Đài Khí tượng Thủy văn liên
tỉnh và các Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh.
Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc được thành lập trên cơ sở hợp nhất các trạm Khí tượng – Thủy văn của Đài Khí tượng Thủy văn liên tỉnh Hà Tây - Hòa Bình và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Sơn La, Lai Châu theo Quyết định số 2338/QĐ-khí tượng thủy văn ngày 10/10/1994 của Tổng cục trưởng Tổng cục Khí tượng Thủy văn.
Năm 2002 Bộ Tài nguyên và Môi trường được thành lập, theo Nghị định số 91/2002/NĐ-CP ngày 11/11/2002 của Chính Phủ, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc trực thuộc Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Năm 1994, khi mới thành lập Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc có 3 phòng chuyên môn nghiệp vụ, 02 Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Tỉnh (tỉnh Hòa Bình và Lai Châu), 35 trạm Khí tượng, Thủy văn và Môi trường, 30 điểm đo mưa nhân dân. Tổng số biên chế toàn Đài là 184 người. Trong đó cán bộ viên chức Trình độ Đại học: 66 người, Cao đẳng: 44 người, Trung cấp 61, sơ cấp và nhân viên: 10 người.
Căn cứ Quyết định số 128/QĐ-TTg ngày 17/9/2008 của Thủ tướng Chính phủ, Tổng giám đốc Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia đã ra Quyết định số 768/QĐ-khí tượng thủy vănQG ngày 28/10/2008 quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc.
Ngày 23/01/2018, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 03/2018/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Tổng cục Khí tượng Thủy văn trên cơ sở sắp xếp tổ chức lại mô hình tổ chức của Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia. Theo Quyết định này, Tổng cục Khí tượng Thủy văn là tổ chức trực thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, thực hiện chức năng tham mưu, giúp Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường quản lý nhà nước và tổ chức thực thi pháp luật về khí tượng thủy văn trong phạm vi cả nước; quản lý và tổ chức thực hiện các hoạt động dịch vụ công thuộc phạm vi quản lý nhà nước của Tổng cục theo quy định của pháp luật, theo đó Đài
Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc là một đơn vị sự nghiệp công lập trực thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn. Cùng với đó, ngày 08/3/2018, Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành Quyết định số 702/QĐ-BTNMT Quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc. Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Tây Bắc là đơn vị sự nghiệp công lập trực thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường thực hiện chức năng quan trắc, Điều tra, khảo sát khí tượng, thủy văn, môi trường và quan trắc định vị sét; dự báo, cảnh báo khí tượng thủy văn; thông tin dữ liệu khí tượng thủy văn trong phạm vi khu vực các tỉnh: Lai Châu, Điện Biên, Sơn La và Hòa Bình; thực hiện các hoạt động dịch vụ khí tượng thủy văn theo quy định của pháp luật. Trụ sở Đài đóng tại số 122, đường Điện Biên, thành phố Sơn La, tỉnh Sơn La.