臺灣長年颱風為患，蘭嶼是颱風侵襲的最前哨，日治時期為加強布建測候網，於昭和15年（1940年）一月成立「臺灣總督府氣象台紅頭嶼測候所」。臺灣總督府氣象台派人於紅頭嶼中部山頭（現址），經由當地駐在所（派出所）的協辦，徵用十數名原住民為服勤團隊，以山刀闢路，在海拔約三百公尺處整地，風力觀測建在山頂，迄至昭和16年歷時二年始完成創設工程，觀測工作自昭和17年（1942年）元月開始正常運作。

民國三十四年（1945年）十月二十五日臺灣光復後，臺灣行政長官公署以「致酉馬署財字第35959號」電令臺灣省氣象所（中央氣象局前身）接收該站。臺灣省氣象所隨即派人於民國三十六年初接管，站名全銜改稱為「臺灣省氣象局蘭嶼測候所」，該所於第二次世界大戰期間曾因遭受盟軍飛機轟炸，接收當時幾乎已變成廢墟，觀測設備亦老舊不堪使用，整體環境經整修與儀器設備整補後，始於民國三十六年七月一日起恢復地面氣象觀測。

民國九十四年（2005年），臺東縣政府以「蘭嶼氣象站」名稱公告為臺東縣歷史建築。