Meteorologická měření a pozorování probíhají na Milešovce nepřetržitě od roku 1905 (s krátkou přestávkou v roce 1917 a během 2. světové války). Řada meteorologických záznamů patří k nejdelším v ČR. Milešovka je vůbec nejstarší horskou observatoří na území České republiky. Nejstarší měřící přístroje jsou v současné době vystaveny v muzeu přímo na observatoři.
Od počátku měření v roce 1905 do roku 1957 se prováděla měření a pozorování v základních klimatických termínech v 7,14, 21 hodin. Od 1.7. 1957 nastala v pozorování na Milešovce změna, jelikož se zavedla 24-hodinová, nepřetržitá služba, která prováděla měření a pozorování v synoptických pozorovacích termínech (v 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 a 21 hodin UTC). Od roku 1998 se provádějí měření a pozorování každou hodinu.
V červenci 1998 byla observatoř vybavena automatickou meteorologickou stanicí firmy Vaisala. Ta se využívá k měření teploty a relativní vlhkosti vzduchu, tlaku vzduchu, přízemní dohlednosti, rychlosti a směru větru, teploty půdy v hloubkách 5, 10, 20, 50 a 100 cm, srážkových úhrnů, délky trvání slunečního svitu a výšky základny oblačnosti. Pozorovatelé dále určují množství oblačnosti, typy a charakter oblaků, stav počasí, výšku sněhové pokrývky a další základní meteorologické charakteristiky.
Od roku 1998 se výzkum na observatoři Milešovka specializuje na chemismus a fyzikální vlastnosti usazených srážek. Od jara do podzimu se na observatoři provádí odběry vzorků vody z nízké oblačnosti (popř. mlhy). V zimním období jsou odebírány vzorky námrazy. Odebrané vzorky jsou poté dále chemicky analyzovány. Pomocí několika moderních přístrojů (převážně optických) jsou také měřeny základní fyzikální charakteristiky nízké oblačnosti (popř. mlhy), jako např. horizontální dohlednost, kapalný vodní obsah, spektrum velikosti kapiček, hmotnost námrazy, apod.