超聲波氣象站基于超聲波測距原理工作。設備內置多組超聲波探頭，通過發射和接收超聲波信號來測量不同方向的風速和風向。以測量風速為例，超聲波在空氣中傳播時，順風和逆風的傳播時間存在差異，根據這一傳播時間差，結合已知的探頭間距，通過特定公式計算出風速；風向則根據不同方向探頭測量數據綜合判斷。

超聲波氣象站通過其他傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等，還能同步獲取氣溫、相對濕度、大氣壓力等氣象要素，實現多參數一體化測量。