기온이란 ‘대기의 온도’를 말한다. 보통은 공기의 온도라고 하지만 대기의 온도라는 표현이 더 정확하다. 측정하는 방법은 햇빛을 직접 받지 않도록 하여 대기중에 노출시킨 온도계를 이용하는 것이다. 세계적으로는 지상 1.25~2.0m 높이의 기온을, 대한민국은 지상 1.5m높이에서의 기온을 측정해 지상 기온으로 삼고 있다. 그 이유는 지표와 대기 사이의 거리에 따라 온도가 달라지기 때문인데, 하필 1.5m 높이인 이유는 그 정도의 높이가 사람이 생활하는 높이라서이다. 지상 기온은 보통 바람이 잘 통하는 넓은 잔디밭에 설치한 백엽상 속의 온도계로 측정한다.
옛날에는 기온의 정확한 측정이 불가능했지만 여러 가지 기상 현상을 관찰하여 날씨가 춥고 더움을 (기온의 높낮이를) 표현했다. 삼국사기, 고려사, 조선왕조실록 등의 유명한 역사서에도 춥고 더움을 나타낸 표현이 있다. 따뜻함은 '겨울에 꽃이 핀다(冬開花)', '얼음이 없다(無氷)', '눈이 안 내린다(無雪)' 등으로 표현했고, 추위는 '이른 서리(早霜)', '가을에 눈이 내림(秋雪)', '늦은 봄에 서리와 눈이 관찰됨(晩春霜雪)' 등으로 표현했다. 또는 자연이나 사람의 행동으로 기후를 표현하기도 했는데, 예를 들어 고려사에서 발견된 '여름에 파리가 없었다(명종 15년)', '여름에 겨울옷을 입는 사람이 있었다(충선왕 1 ~ 2년)' 등의 표현이 있다. 지금과 같은 측정법은 17세기 초 온도계가 발명되면서 생겨났다.
현재는 기온 측정을 위한 방법으로 백엽상이나 전자 기온 측정 장치를 이용한다. 백엽상 안에는 건구온도와 습구온도를 관측할 수 있는 두 개의 수은 온도계와 최고 온도계와 최저 온도계, 그리고 연속적으로 기온을 관측할 수 있는 자기기록 온도계가 설치되어 있다. 일반적으로 최고 온도계는 수은으로 제작하며, 최저 온도계는 얼지 않게 알코올로 제작한다. 사실 수은도 얼려면 영하 38°C 정도는 되어야 한다. 자기기록 온도계는 쌍금속판을 이용한 것으로, 관측한 값은 기온의 절대값을 얻기에는 어려움이 있으나 최고 기온과 최저 기온이 출현한 시각을 파악하는 데 유용하다. 대한민국 기상청에서 매 시간 기온을 관측하며, 일 평균값은 3시간 간격으로 관측한 값의 평균을 사용하고 있다.