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日治之後，臺灣總督府通信課長土居通豫於日明治29年（1896年）赴東京與日本中央氣象局交涉，籌畫於臺灣設立氣候觀測機構，同年3月公佈臺灣總督府測候所創立規程。在臺北、臺中、臺南、恆春及澎湖設立第一批之測候所，後來又進一步於臺東、花蓮港、宜蘭、彭佳嶼、新竹、竹子湖、紅頭嶼、日月潭、大武等地成立一般之測候所，高雄設有海洋觀測所，阿里山設有高山觀測所。臺南測候所，是中央氣象局臺南氣象站之前身。此外，臺灣九座燈塔也都附帶設有氣象觀測之任務。在現有的氣象設施中，臺南測候所可算是歷史最悠久的幾個之一。
臺南測候所創建於日明治30年（1897年），原以天公埕街官有家屋（今天壇北側）為臨時所舍，於當年1月1日開始觀測並著手興建新的測候所，於翌年日明治31年（1898年）搬入新址。為日本人在臺灣最早興建之五處測候所（臺北、臺中、臺南、恆春、澎湖）中僅存的一座。建築構成上為同心圓平面，以中央風力塔為中心，外環繞磚造一層樓正十八角形平面，除東西向走道外，區分為六室。中央風力塔上放置觀測儀器；下方周邊附設其他之工作空間，如預報室、值班室、地震儀室等，在臺灣氣象史上的地位十分重要，彌足珍貴。戰後，戰爭末期受損的辦公廳舍經過整修後，於民國36年（1947年）恢復地面觀測。民國67年（1978年）完成新建辦公廳舍，主要辦公機能遷移至新廳舍，而此時總局曾經會商是否拆除舊有廳舍，後因總局測政組長呂世宗反對拆除具歷史意義之測候所建築而未加拆除得以保留。原有廳舍自二戰後，除因為颱風而導致受損加以維修外，並未有大規模之整修。（圖TNC-18-05〜TNC-18-06）

臺南市政府於民國87年（1998年）將原臺南測候所廳舍指定為臺南市市定古蹟；中央氣象局亦開始投入經費，於民國88年（1999年）委託財團法人成大研究發展基金會進行原臺南測候所建築之調查與修復計畫；同年委託黃斌、張玉璜建築師事務所負責修復與再利用設計及監造；民國89年（2000年）委託黃斌、張玉璜建築師事務所負責進行局部解體調查，民國91年（2002年）10月修復工程開工。92年（2003年）臺南市政府提出申請，擬將其升列為國定古蹟；後經內政部於9月1日召開審查評鑑會議通過，以民國92年（2003年）11月10日臺內民字第0920062231號文，將原臺南測候所公告指定為國定古蹟。民國93年（2004年）9月修復工程完工，將其再利用成立氣象文物展示場。古蹟修復施工期間，交通部中央氣象局並於原臺南測候所南側設計興建南區氣象中心。