NILU har betydelig aktivitet knyttet til overvåkning, som primært dekker følgende områder:
- Atmosfæriske tilførsler
- Klimaovervåking
- Ozonlag og UV
NILU er også nasjonalt referanselaboratorium for luftkvalitet, og drifter nettsiden luftkvalitet.info.
Målet for overvåking av kjemisk sammensetning i luft og nedbør er å registrere nivåer og eventuelle endringer i tilførselen av langtransporterte forurensninger. Overvåkningen skjer på såkalte bakgrunnsstasjoner som er plassert slik at de er minst mulig påvirket av nærliggende utslippskilder.
Det totale overvåkningsprogrammet omfatter 19 stasjoner, hvorav 15 måler hovedkomponenter i nedbør. Fem av disse stasjonene inklusiv Zeppelinstasjonen inngår i EMEP-programmet (European Monitoring and Evaluation Programme) under FNs konvensjon for grenseoverskridende luftforurensninger.