Nuo 1992 m. Lietuvos Respublika yra specializuotos Jungtinių Tautų Organizacijos agentūros - Pasaulinės meteorologijos organizacijos (WMO) narė. Tarnybos direktorius yra Lietuvos Respublikos nuolatinis atstovas WMO ir su sprendžiamojo balso teise dalyvauja WMO kongresų bei sesijų darbe.

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.

Be to, Tarnyba yra pasirašiusi:

• dvišales bendradarbiavimo sutartis su:
  • Baltarusijos Respublikos gamtinių išteklių ir aplinkos apsaugos ministerijos Hidrometeorologijos departamentu,
  • Lenkijos meteorologijos ir vandens ūkio institutu,
  • Rusijos hidrometeorologijos ir aplinkos monitoringo federaline tarnyba;
• 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,
  • 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;
• kitas sutartis su:
  • Čekijos meteorologijos institutu dėl klimato duomenų bazės (CLIDATA) kūrimo ir palaikymo,
  • Firma EQUANT (Didžioji Britanija) dėl WMO regioninio meteorologijos duomenų perdavimo tinklo (RMDCN) paslaugos teikimo.

Narystė WMO, bendradarbiavimo susitarimai su EUMETSAT ir 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 bei palydovų informacijos taikymo programoje „SatRep“
	Projektas „Pasaulio miestų orai"	WMO Pasaulio orų informacijos tarnybai kasdien teikiama 5 dienų prognozė 3 Lietuvos miestams ir klimato duomenys. Informacija skelbiama internete: http://www.worldweather.org/
	Didelio tikslumo skaitmeninio orų prognozių modelio ribotai teritorijai vystymo projektas – HIRLAM (High Resolution Limited Area Modelling)	Adaptuojamas skaitmeninis orų prognozių modelis (HIRLAM) Lietuvai, dalyvaujama pasitarimuose ir kitoje projekto veikloje
	WMO Jungtinė potvynių valdymo programa (CEE–WMO/GWP Associated Programme on Flood Management)	Bendradarbiaujama vykdant WMO Jungtinę potvynių valdymo programą Centrinei ir Rytų Europai, dalyvaujama seminaruose, parengta 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, keičiamasi informacija, dalyvaujama konferencijose
	Saugaus plaukiojimo jūromis ir vandenynais užtikrinimo programa – NAVTEX	Du kartus per parą sudaromos ir perduodamos prognozės bei perspėjimai apie laukiamus pavojingus hidrometeorologinius reiškinius Pietryčių Baltijoje. Ši informacija transliuojama laivams per NAVTEX sistemą, kuri yra Globalinės jūrų avarinio ryšio ir saugos sistemos sudėtinė dalis
	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, suteikta teisė naudotis WOUDC bendra duomenų baze
	Bendradarbiavimo programa su Čekijos meteorologijos institutu - dėl klimato duomenų valdymo sistemos kūrimo ir aptarnavimo – CLIDATA (Climatological Database)	Sukurta ir LHMT įdiegta klimato duomenų bazė, kurioje kaupiami, sisteminami ir analizuojami meteorologijos stočių stebėjimų duomenys, duomenims pateikti naudojama geografinė informacinė sistema (GIS). Saugoma metainformacija apie meteorologijos stotis, stebėjimus ir kt.
	Europos bendradarbiavimo mokslinių ir techninių tyrimų srityse programa – COST (European Co-operation in the field of Scientific and Technical Research)	LHMT darbuotojas, kaip Lietuvos Respublikos atstovas, dalyvauja Meteorologijos techninio komiteto veikloje svarstant pateiktus mokslinius projektus, priimant sprendimus, tvirtinant naujus narius ir kt.
	Globalinė klimato stebėjimo sistema – GCOS (Global Climate Observation System)	Bendradarbiaujama vykdant klimato stebėjimus, analizuojant klimato pokyčius, teikiant informaciją, aktyviai dalyvaujama Rytų ir Centrinės Europos darbo grupės veikloje. Į GCOS GSN (Global Surface Network) sistemą įtraukta Vilniaus meteorologijos stotis
	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