Nuo 1992 m. Lietuvos Respublika yra specializuotos Jungtinių Tautų Organizacijos agentūros – Pasaulinės meteorologijos organizacijos (WMO) narė.
2004 m. gruodį pasirašytas Lietuvos Respublikos ir Europos meteorologinių palydovų eksploatacijos organizacijos (EUMETSAT) susitarimas dėl valstybės bendradarbiavimo. Šis susitarimas, kurį ratifikavo Lietuvos Respublikos Seimas, įsigaliojo 2005 m. lapkričio 7 d. ir galiojo iki 2009 m. gruodžio 31 d. Metų pabaigoje buvo pasirašytas šio susitarimo pratęsimas 2010–2011 metams. Kad įsigaliotų, jis dar turi būti ratifikuotas Lietuvos Respublikos Seimo. Nuo 2008 m. gruodžio 8 d. EUMETSAT bendradarbiaujančių valstybių patariamojo komiteto pirmininkė yra Tarnybos direktorė V. Augulienė.
2005 m. Tarnyba pasirašė su Latvijos aplinkos, geologijos ir meteorologijos agentūra sutartį dėl keitimosi hidrometeorologine informacija, o su Baltarusijos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu – operatyvaus gamybinio bendradarbiavimo programą 2005-2006 metams.
2006 m. gegužę pasirašytas Lietuvos Respublikos ir Europos vidutinės trukmės orų prognozių centro (ECMWF) bendradarbiavimo susitarimas, kuris buvo ratifikuotas Lietuvos Respublikos Seimo ir įsigaliojo 2006 m. lapkričio 20 d.
2007 m. Tarnyba pasirašė dvi naujas tarptautines sutartis ir vieną dvišalio bendradarbiavimo programą: 2007 m. liepos 24 d. – sutartį dėl dalyvavimo Europos nacionalinių hidrometeorologijos tarnybų organizacijos (EUMETNET) nuotolinio mokymo programoje (EUMETCAL), 2007 m. gruodžio 11 d. – susitarimą dėl prisijungimo prie HIRLAM-A programos asocijuoto nario teisėmis, o 2007 m. lapkričio 8 d. – operatyvaus ir gamybinio bendradarbiavimo su Rusijos hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo federaline tarnyba programą „2008–2009“ metams.
2008 m. balandį su Baltarusijos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu buvo pasirašyta operatyvaus ir gamybinio bendradarbiavimo programa „2008–2009“ metams.
2009 m. Tarnyba pasirašė bendradarbiavimo sutartį su Moldovos valstybine hidrometeorologijos tarnyba ir sutartį su Austrijos centriniu meteorologijos ir geodinamikos institutu dėl Tarnybos dalyvavimo EUMETNET palydovinės meteorologijos prognozių rengimo programoje „SatRep“, o susitarimo dėl prisijungimo prie programos HIRLAM-A galiojimas Tarnybos iniciatyva buvo pratęstas iki 2010 metų pabaigos. 2009 m. gruodžio 29 d. buvo pasirašytas Lietuvos Respublikos ir EUMETSAT susitarimo dėl valstybės bendradarbiavimo pakeitimas, pratęsiantis susitarimo galiojimą iki 2011 m. gruodžio 31 d. Lietuvos Respublikos Seimo ratifikuotas 2010-11-12, įsigaliojo 2010-11-29.
2010 m. Tarnyba pasirašė operatyvaus ir gamybinio bendradarbiavimo su Baltarusijos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu programą 2010-2011 metams ir bendradarbiavimo susitarimą dėl dalyvavimo EUMETNET programose EUMETCAL ir SatRep, pakeičiantį atskirus dvišalius dokumentus, pasirašytus 2007 ir 2009 metais. 2010-12-13 paskelbtas HIRLAM tarybos nutarimas priimti Tarnybą į HIRLAM konsorciumą visateise nare nuo 2011 metų sausio 1 d.
2011 m. gruodžio 23 d. Vilniuje ir gruodžio 29 d. Darmštate (Vokietija) buvo pasirašytas Lietuvos Respublikos ir EUMETSAT susitarimo dėl valstybės bendradarbiavimo antrasis pakeitimas, pratęsiantis susitarimo galiojimą iki 2013 m. gruodžio 31 d., bei Susitarimas dėl Lietuvos Respublikos prisijungimo prie Europos meteorologinių palydovų eksploatacijos organizacijos (EUMETSAT) įkūrimo konvencijos ir su tuo susijusių sąlygų nuo 2014 m. sausio 1 d. Taip pat 2011 m. Tarnyba atnaujino 2005 m. pasirašytą su Latvijos aplinkos, geologijos ir meteorologijos agentūra sutartį dėl keitimosi hidrometeorologine informacija.
2012 m. kovo 29 d. pasirašyta operatyvaus ir gamybinio bendradarbiavimo su Baltarusijos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu programa 2012–2017 metams, o 2012 m. birželio 7 d. – operatyvaus ir gamybinio bendradarbiavimo su Rusijos hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo federaline tarnyba programa 2012-2014 metams.
2013 m. vasario 28 d. buvo pasirašytas naujas susitarimas su EUMETNET, pratęsiantis Tarnybos bendradarbiavimą su šia Europos meteorologijos tarnybų organizacija iki 2017 m. pabaigos, o rugsėjo 13 d. Tarnyba prisijungė prie NORDRAD meteorologinių radiolokatorių tinklo daugiašalio bendradarbiavimo susitarimo.
Be to, Tarnyba yra pasirašiusi:
- dvišales bendradarbiavimo sutartis su:
- Čekijos meteorologijos insitutu,
- Baltarusijos Respublikos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu (Nutraukta nuo 2022 kovo mėn.),
- Lenkijos meteorologijos ir vandens ūkio institutu,
- Rusijos hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo federaline tarnyba (Nutraukta nuo 2022 kovo mėn.);
- sutartis kartu su Aplinkos apsaugos agentūra dėl bendradarbiavimo vykdant pasienio vandens telkinių būklės monitoringą ir keitimosi monitoringo duomenimis su:
- Rusijos hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo federalinės tarnybos Kaliningrado hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo centru (Nutraukta nuo 2022 kovo mėn.),
- Latvijos hidrometeorologijos agentūra;
- daugiašalę bendradarbiavimo sutartį (BALTMET) tarp Estijos meteorologijos ir hidrologijos instituto, Suomijos meteorologijos instituto, Latvijos hidrometeorologijos agentūros, Lietuvos hidrometeorologijos tarnybos, Norvegijos meteorologijos instituto bei Švedijos meteorologijos ir hidrologijos instituto.
Narystė WMO ir EUMETSAT, bendradarbiavimo susitarimas su ECMWF, Tarnybos dvišalės ir daugiašalės bendradarbiavimo sutartys su kitų šalių hidrometeorologijos tarnybomis bei tarptautinėmis organizacijomis sudaro prielaidas nuolat tobulinti Tarnybos teikiamos hidrometeorologinės informacijos kokybę ir operatyvumą.
Įgyvendindama tarptautinio bendradarbiavimo sutartis, Tarnyba keičiasi su kitomis šalimis hidrometeorologinių stebėjimų duomenimis ir perspėjimais apie nepalankias hidrometeorologines sąlygas, Tarnybos specialistai dalyvauja vykdant tarptautines programas ir projektus.
Lietuvos hidrometeorologijos tarnyba dalyvauja šiuose tarptautiniuose projektuose ir programose:
 | Europos hidrometeorologijos tarnybų organizacija | Dalyvaujama EUMETNET’o nuotolinio meteorologijos mokymo programoje EUMETCAL |
 | Projektas „Pasaulio miestų orai” | WMO Pasaulio orų informacijos tarnybai kasdien teikiama 5 dienų prognozė 5 Lietuvos miestams bei klimato duomenys. „Informacija skelbiama interneto svetainėje https://www.worldweather.org/“ |
 | Didelio tikslumo skaitmeninio orų prognozių modelio ribotai teritorijai vystymo projektas – HIRLAM (High Resolution Limited Area Modelling) | Didelio tikslumo modelio mažai teritorijai (HIRLAM) taikymas Lietuvos sąlygomis, skaitmeninių orų prognozių sudarymas, dalyvavimas diegiant HARMONIE prognostinį modelį |
 | WMO Jungtinė potvynių valdymo programa (CEE–WMO/GWP Associated Programme on Flood Management) | Bendradarbiaujama vykdant WMO Jungtinę potvynių valdymo programą Centrinei ir Rytų Europai, teikiama informacija apie didžiausius potvynius Lietuvoje |
 | WMO Klimato informacijos ir prognozių programa – CLIPS (Climate Information and Prediction Services) | Bendradarbiaujama klimato informacijos ir prognozavimo sistemos plėtros bei klimato kaitos tyrimuose, rengiama ataskaita apie klimato tyrimus Lietuvoje |
 | Saugaus plaukiojimo jūromis ir vandenynais užtikrinimo programa NAVTEX | Du kartus per parą sudaromos ir perduodamos prognozės bei perspėjimai apie numatomus pavojingus hidrometeorologinius reiškinius Pietryčių Baltijoje. |
 | WMO Globalinės atmosferos stebėjimų programos Pasaulio ozono ir ultravioletinės saulės spinduliuotės duomenų centras – WOUDC (World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre) | Nuolat teikiami ozono ir ultravioletinės saulės spinduliuotės matavimų duomenys, naudojamasi WOUDC bendra duomenų baze |
 | Bendradarbiavimas su Čekijos meteorologijos institutu dėl klimato duomenų valdymo sistemos CLIDATA (Climatological Database) kūrimo ir palaikymo | Įdiegta ir palaikoma klimato duomenų bazė, kurioje kaupiami, sisteminami ir analizuojami meteorologijos stočių stebėjimų duomenys, jų pateikimui naudojant geografinės informacijos sistemą (GIS). Kaupiama metainformacija apie meteorologijos stotis, jų stebėjimus ir kt. |
 | Globalinė klimato stebėjimo sistema – GCOS (Global Climate Observation System) | Bendradarbiaujama vykdant klimato stebėjimus bei analizuojant klimato pokyčius, dalyvaujama Rytų ir Centrinės Europos darbo grupės veikloje. |
 | WMO Pasaulio orų tyrimo programa (World Weather Research Programme) | Bendradarbiaujama teikiant informaciją apie mokslinius tyrimus Lietuvoje |
 | WMO remiamas Pasaulinis upių nuotėkio duomenų centras – GRDC (Global Runoff Data Centre) | Bendradarbiaujama kuriant pasaulio upių nuotėkio duomenų bazę, teikiami hidrologiniai stebėjimų duomenys ir metainformacija apie Lietuvos upes, suteikta teisė naudotis GRDC bendra duomenų baze |
| NORDRAD | Šiaurės Europos meteorologinių radiolokatorių tinklas NORDRAD | Dalyvaujama keičiantis meteorologinių radiolokatorių stebėjimų duomenimis |