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Chaque station recueille ses données en haute atmosphère principalement au moyen de ballons-sondes météorologiques à hydrogène lancés toutes les 12 heures et munis d'une radiosonde qui transmet des données sur la température, la pression atmosphérique et l'humidité le long d'une coupe transversale des 30 km inférieurs de l'atmosphère. À mesure que l'instrument prend de l'altitude, la trajectoire de la radiosonde est suivie électroniquement pour déterminer la direction et la force du vent. L'importance de ces données s'est accrue en raison des besoins pour des prévisions météorologiques à long terme, de la nécessité de prendre en compte le transport à distance des polluants et des enjeux du changement de climat et du réchauffement de la planète.
Des observations météorologiques synoptiques des conditions de surface sont enregistrées toutes les heures, en même temps que les mesures de l'intensité des rayonnements solaire et terrestre. Des mesures sur l'épaisseur des glaces, les dates de gel et de dégel de la glace et l'épaisseur de neige sont effectuées toutes les deux semaines pendant presque toute l'année. Parmi les autres activités scientifiques, notons les enregistrements sismiques et magnétiques, les mesures de la qualité de l'air et la surveillance des aérosols, la marémétrie et la surveillance intégrée de l'environnement en relation avec l'hydrologie, la végétation, la faune et l'érosion du sol. Les stations servent également d'avant-postes pour la protection du territoire (voir souveraineté dans l'Arctique). Le réapprovisionnement des stations et des campements de recherche s'effectue grâce à des terrains d'aviation, qui servent également de terrains d'atterrissage de secours pour les vols au-dessus du Pôle. Les stations ont grandement amélioré nos connaissances sur la circulation atmosphérique de notre planète et ont ainsi rallongé la période de fiabilité des prévisions météorologiques.
Station météorologique Eureka
La station Eureka, sur l'île d'Ellesmere, est établie le 7 avril 1947 par une petite équipe de Canadiens et d'Américains partis de Thulé au Groenland et qui atterrissent sur les glaces de mer du fjord Slidre. En 1947, le chef de station est nommé d'office officier de douanes et accises, agent d'immigration, agent de conservation et maître de postes. (Les philatélistes de tous les pays apprécient les flammes d'oblitération postale uniques provenant de ces bureaux de poste éloignés de l'Extrême-Arctique.) Après le départ des Américains le 2 juillet 1972, la station est devenue une exploitation exclusivement canadienne. Chaque printemps, Eureka est pour de nombreux aventuriers le dernier point de relais en direction du pôle nord .
En 1993, le Arctic Stratospheric Observatory (ASTRO) entre en opération sur une crête montagneuse à 15 km à l'ouest d'Eureka. L'édifice de 3 millions de dollars comporte trois laboratoires où travaillent des chercheurs et des scientifiques du Canada et d'ailleurs. ASTRO possède deux systèmes de radar optique (LIDAR), très puissants et coûteux, pour étudier la destruction de la couche d'ozone par les substances chimiques d'origine anthropique dans l'atmosphère de l'Arctique au cours de la nuit hivernale et du printemps polaire. Des instruments d'optique sophistiqués servent à l'étude de phénomènes relatifs à l'aurore polaire dans la mésosphère, trop élevés pour les ballons-sondes et trop bas pour les satellites (voir Aurores boréales). La radiométrie en micro-onde et la spectroscopie de la lumière provenant de la lune, des étoiles et du soleil sont également des sujets d'étude.
Station météorologique Resolute
La station Resolute est établie sur l'île Cornwallis le 31 août 1947. Les ingénieurs des forces aériennes et terrestres américaines y construisent un terrain d'aviation. Deux ans plus tard, l'Aviation royale du Canada met en service une base aérienne et entretient des installations. Les opérations passent sous la responsabilité du ministère des Transports le 1er avril 1964, et du gouvernement des Territoires du Nord-Ouest le 1er avril 1995. Les derniers Américains dans les stations météorologiques se retirent de Resolute le 27 août 1972. En 1957 est mis en place un programme de mesures et de surveillance de l'ozone, qui sera informatisé par la suite.
Station météorologique Isachsen
La station Isachsen est située sur l'île Ellef Ringnes. Le 3 avril 1948, les trois premiers employés de la station arrivent par avion en provenance de Resolute (autrefois la baie Resolute) grâce à l'appui aérien américain. Les Américains se retirent le 31 octobre 1971, et, en raison de resserrements et de contraintes budgétaires, Isachsen est désaffectée le 19 septembre 1978. Une station météorologique automatique prend sa place en 1989, laquelle est régulièrement interrogée par satellite.
Station météorologique Mould Bay
La station Mould Bay est située sur l'île Prince-Patrick. Le 11 avril 1948, trois employés et des approvisionnements en provenance de Resolute arrivent à Mould Bay grâce à un appui aérien américain. Les Américains se retirent le 2 novembre 1971. Cette station est le poste le plus isolé et les approvisionnements ne peuvent y parvenir que par avion, car l'état des glaces marines empêche les brise-glaces d'atteindre la baie Mould. Le personnel de la station est réduit de dix à quatre en 1993. La remise à neuf des édifices, la réduction de la consommation d'énergie et une station météorologique automatique ont contribué à garder cette station en opération.
Station météorologique Alert
La station Alert est située sur l'île Ellesmere. Les forces aériennes canadiennes et américaines y atterrissent la première fois le 9 avril 1950, en provenance de Thulé au Groenland. Certains approvisionnements, comme du carburant, des rations de secours, des abris temporaires et un petit tracteur, avaient déjà été laissés à Cape Belknap en août 1948 par le brise-glaces USS Edisto. L'accident le plus grave à survenir dans les stations météorologiques de l'Extrême-Arctique s'est produit le 31 juillet 1950, à la station Alert, au cours d'une mission de parachutage à basse altitude. Les suspentes d'un parachute se sont emmêlées dans les ailerons de la queue d'un Lancaster de l'Aviation royale du Canada, causant l'écrasement de l'avion près de la station météorologique. Les sept membres d'équipage et les deux passagers sont morts.
Les Américains se retirent le 31 octobre 1970. L'aérodrome passe sous responsabilité militaire en 1973 et, en 1978, Environnement Canada ferme de nombreux édifices, réduit son personnel à quatre personnes et déménage à la station des Forces canadiennes Alert.
En 1986, le premier Laboratoire de surveillance de la pollution atmosphérique de fond est inauguré à 8 km au sud d'Alert et devient la station de recherche permanente la plus septentrionale du monde. En 1992, d'importants aménagements rendent possible l'établissement du Background Air Chemistry Observatory (BACO). Ces installations permettent aux scientifiques d'Environnement Canada d'observer les fluctuations dans la composition chimique (dioxyde de carbone, brume arctique, contaminants organiques à l'état de trace, aérosols et gaz à effet de serre) et physique de l'atmosphère circumpolaire pendant plusieurs décennies, car cette composition peut avoir un impact potentiel sur le climat mondial et les écosystèmes arctiques. Des observations de l'ozone aux stations Alert, Eureka et Resolute aideront à résoudre le problème de la dégradation du vortex polaire et de la discontinuité des niveaux d'ozone dans l'atmosphère arctique.
