ศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน ปัจจุบันตั้งอยู่ ณ ท่าอากาศยานขอนแก่น ตำบลบ้านเป็ด อำเภอเมือง จังหวัดขอนแก่น โดยเริ่มขึ้นจากการที่กรมอุตุนิยมวิทยาได้ดำเนินการจัดตั้งสถานีตรวจอากาศด้วยเรดาร์ขึ้นที่ท่าอากาศยานขอนแก่น และเริ่มก่อสร้างหอเรดาร์แห่งใหม่ เมื่อวันที่ 21 กันยายน 2535 แล้วเสร็จเมื่อวันที่ 18 เมษายน 2536
     วันที่ 30 เมษายน 2536 นายไกรสร พรสุธี รองอธิบดีฝ่ายบริหาร เป็นประธานตรวจรับหอเรดาร์ขอนแก่นและติดตั้งเครื่องเรดาร์ S-BAND DWSR-88S โดยบริษัทไทย อีควิปเม้นท์ในเดือนพฤษภาคม 2536 โดยมีนายธวัชชัย พฤกษะวัน รองอธิบดีฝ่ายวิชาการ เป็นประธานตรวจรับเครื่องเรดาร์ เมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม 2536
     วันที่ 22 พฤษภาคม 2539 กรมอุตุนิยมวิทยามีหนังสือชี้แจงถึงกรมการบินพลเรือนให้เปลี่ยนแนวถนนไม่ให้ตัดผ่านหอเรดาร์ขอนแก่นจากโครงการปรับปรุงท่าอากาศยานขอนแก่น และในวันที่ 18 มิถุนายน 2539 กรมอุตุนิยมวิทยา มีคำสั่งที่ คค 0803/1827 ให้ก่อสร้างอาคารที่ทำการศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน เป็น คสล. สูง 3 ชั้น มีดาดฟ้า ขนาดกว้าง 12 เมตร ยาว 20 เมตร โดยในวันที่ 9 กรกฎาคม 2539 นายสมิทธ ธรรมสโรช อธิบดีกรมอุตุนิยมวิทยาได้กำหนดแผนผังก่อสร้างอาคารศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบนใกล้หอเรดาร์ขอนแก่น ท่าอากาศยานขอนแก่น
     วันที่ 14 สิงหาคม 2539 คณะกรรมการพิจารณาประกวดราคา โดยมีนายดุษฎี สาริกบุตร ผู้อำนวยการกองตรวจอากาศเป็นประธานในการคัดเลือก และห้างหุ้นส่วนจำกัด ขอนแก่นก่อสร้าง ประมูลได้ราคา 6,840,000 บาท แต่ด้วยเหตุที่งบประมาณ พ.ศ. 2539 ที่ตั้งไว้ไม่พอจ่าย กรมอุตุนิยมวิทยาจึงได้ทำหนังสือขอต่อรองกับห้างหุ้นส่วน จำกัด ขอนแก่นก่อสร้าง จากนั้นในวันที่ 24 กันยายน 2539 ห้างหุ้นส่วนจำกัด ขอนแก่นก่อสร้าง มีหนังสือถึงกรมอุตุนิยมวิทยายินยอมลดเหลือเท่าวงเงิน งบประมาณ 6,489,000บาท
     วันที่ 9 กันยายน 2540 คณะกรรมการได้ตรวจรับอาคารศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน โดยนายสมนึก ปิ่นกุมภีร์ หัวหน้าสถานีตรวจอากาศขอนแก่นเป็นประธานและในวันที่ 5 กุมภาพันธ์ 2542 นายทวีสิทธิ์ ดำรักษ์ รองอธิบดีฝ่ายบริหาร ได้เดินทางมาสถานีตรวจอากาศขอนแก่น เตรียมการย้ายการตรวจอากาศการบินจากหอบังคับการบินขอนแก่นมาที่อาคารศูนย์ฯ และในปีเดียวกันนายดุษฎี สาริกบุตร ผู้อำนวยการกองตรวจอากาศมีคำสั่งให้ย้าย สถานีตรวจอากาศขอนแก่น ซึ่งเดิมตั้งอยู่ในเมืองใกล้สถานีบริษัทขนส่งฯ ไปอยู่ที่อาคารศูนย์ฯ ท่าอากาศยานขอนแก่น
     สถานีตรวจอากาศขอนแก่น ตั้งอยู่ที่อาคารศูนย์ฯ ในช่วงปีพ.ศ. 2542-2552 โดยมีนายสมนึก ปิ่นกุมภีร์ ดำรงตำแหน่งหัวหน้าสถานีตรวจอากาศขอนแก่น จนถึง พ.ศ. 2543 และมีผู้ดำรงตำแหน่งหัวหน้าสถานีอีก 3 ท่าน จากนั้นในวันที่ 10 กุมภาพันธ์ 2549 กรมอุตุนิยมวิทยามีคำสั่งที่ 60/2549 จัดตั้งศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน (ศบ.) ขึ้นเป็นหน่วยงานภายใน ระดับกอง
     วันที่ 10 กันยายน 2551 กรมอุตุนิยมวิทยามีคำสั่งที่ 263/2551 มอบหมายให้ นายทวีวัฒน์ นิลเพชรรัตน์ ปฏิบัติหน้าที่ในฐานะผู้อำนวยการศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน จังหวัดขอนแก่น และว่าที่ร้อยตรี ธนะสิทธิ์ เอี่ยมอนันชัย ปฏิบัติหน้าที่ในฐานะผู้ช่วยอำนวยการศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน และในวันที่ 26 พฤษภาคม 2552 ศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน ได้จัดตั้งขึ้นตามกฎกระทรวงแบ่งส่วนราชการกรมอุตุนิยมวิทยา กระทรวงเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร มีหน่วยงานภายใน 5 ส่วน 1 ฝ่าย และสถานีในสังกัด 10 สถานี
     วันที่ 27 พฤษภาคม 2552 กรมอุตุนิยมวิทยา มีคำสั่งที่ 160/2552 แต่งตั้งให้ นายทวีวัฒน์ นิลเพชรรัตน์ รักษาราชการแทนผู้อำนวยการศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน (รรก.ผอ.ศบ.) จากนั้นในวันที่ 24 กันยายน 2552 กรมอุตุนิยมวิทยา มีคำสั่งที่ 261/2552 แต่งตั้งข้าราชการให้ดำรงตำแหน่งใหม่ ตามกฎกระทรวงแบ่งส่วนราชการกรมอุตุนิยมวิทยา มีผลให้ส่วนเฝ้าระวังสภาวะอากาศและส่วนติดตามสภาวะอากาศไปปฏิบัติงาน ณ หอเรดาร์ขอนแก่น
     วันที่ 28 กันยายน 2552 รรก.ผอ.ศบ. มีหนังสือที่ ทก 0407/5427 ถึงกรมอุตุนิยมวิทยาขออนุญาตให้ข้าราชการฝ่ายบริหารงานทั่วไป ส่วนพยากรณ์อากาศ ส่วนสารสนเทศอุตุนิยมวิทยา กับส่วนสื่อสารและเครื่องมือ ปฏิบัติหน้าที่ ณ ที่เดิมไปก่อนจนกว่าการปรับปรุงอาคารปฏิบัติงานชั้นหนึ่งและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องจะแล้วเสร็จ และในวันที่ 29 ธันวาคม 2552 กรมอุตุนิยมวิทยา มีคำสั่งที่ 470/2552 แต่งตั้งให้นายทวีวัฒน์ นิลเพชรรัตน์ เป็นผู้อำนวยการศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน (ผอ.ศบ.)
     วันที่ 18 เมษายน 2553 ผอ.ศบ. ได้ทำหนังสือเรียกข้าราชการส่วนพยากรณ์อากาศ ส่วนสารสนเทศอุตุนิยมวิทยา ส่วนสื่อสารและเครื่องมือและส่วนติดตามสภาวะอากาศให้กลับมาปฏิบัติงานที่ศูนย์ฯตั้งแต่วันที่ 1 พฤษภาคม 2553 เป็นต้นไป เนื่องจากการปรับปรุงอาคารปฏิบัติงานชั้นหนึ่งเสร็จเรียบร้อยแล้ว จากนั้นในวันที่ 3 พฤษภาคม 2553 ข้าราชการของศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน ประกอบด้วยฝ่ายบริหารทั่วไป ส่วนพยากรณ์อากาศ ส่วนสารสนเทศอุตุนิยมวิทยากับส่วนสื่อสารและเครื่องมือ เริ่มปฏิบัติงานที่ชั้นหนึ่งอาคารศูนย์ฯ (วันที่ 1-2 พฤษภาคม 2553 เป็นวันหยุดราชการ)
     วันที่ 7 พฤศจิกายน 2560 กรมอุตุนิยมวิทยากำหนดหน้าที่ความรับผิดชอบฯ ตามการปรับปรุงโครงสร้างการแบ่งส่วนราชการใหม่ ตามกฎกระทรวงแบ่งส่วนราชการกรมอุตุนิยมวิทยา กระทรวงดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคม พ.ศ.2560 ให้ศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนบน มีหน่วยงานภายใน 8 ส่วน 1 ฝ่าย ได้แก่ฝ่ายบริหารทั่วไป ส่วนติดตามสภาวะอากาศ ส่วนเฝ้าระวังสภาวะอากาศ ส่วนตรวจอากาศการบิน ส่วนอากาศการบินจังหวัด ส่วนสารสนเทศอุตุนิยมวิทยา ส่วนพยากรณ์อากาศ ส่วนพยากรณ์อากาศการบินและส่วนสื่อสารและเครื่องมือ โดยมีสถานีอุตุนิยมวิทยาในสังกัด 11 สถานีใน 11 จังหวัด ได้แก่จังหวัดขอนแก่น เลย อุดรธานี สกลนคร นครพนม กาฬสินธุ์ มหาสารคาม ชัยภูมิ หนองบัวลำภู หนองคายและบึงกาฬ