長門国萩松本村(山口県萩市)出身。長州藩士の中村粂吉の長男。松下村塾に学ぶ。
1871(M4)上京し、大学南校を経て、1879東京帝国大学物理学科を卒業。内務省に入省し、地理局測量課に入る。1880富士山頂で初めて本格的な気象観測を行った。母校理学部講師、農商務省御用掛を歴任。
1881寺尾寿、和田雄治ら同志21人と東京物理講習所(東京理科大学)の創立に参画。1886〜1889ドイツに留学し、ベルリン大学、ハンブルク海洋気象台で気象学を研究。1890中央気象台技師となる。
1893 日本気象の学術書『大日本風土編』を著した。英文『The Climate of Japan』(日本の気候)を米国シカゴでの万国博覧会に出品。この論文はわが国初めての気象学の論文であり、1902.2.10この論文で理学博士。
1895 第3代 中央気象台長に就任し、1923(T12)まで28年間務める。この間、1896からは公務の傍ら、設立に携わった東京物理学校(東京物理講習所から、1883名称変更)の2代目校長に就任(〜'30没するまで在任)。理学教育の発展に尽くした。1908.11.28帝国学士院会員に推される。学術研究会議地球物理学部長。
晩年はエスペラントおよびメートル法の普及に尽力。'26財団法人日本エスペラント学会の初代理事長を務める。在任のまま脳溢血のため逝去。正3位 勲1等。享年74歳。日本の気象学の草分けであり、また日本の理科教育の大きく貢献された。語学に精通であり、英語、フランス語、ドイツ語、エスペラント、そして日本語を話せた。