Khu vực VQG Hoàng Liên nằm sát chí tuyến trong vành đai Á nhiệt đới Bắc bán cầu, có khí hậu ôn đới lạnh với hai mùa điển hình. Mùa hè ẩm ướt bắt đầu từ tháng 5 đến cuối tháng 10 và kéo theo mưa nhiều, thường gây ra lũ lụt, đặc biệt là lũ quét, sạt lở đất; mùa đông lạnh từ đầu tháng 11 đến cuối tháng 4 năm sau, lạnh nhất là tháng 12 và tháng 1, những tháng này thường xuất hiện sương muối buốt giá, có khi kéo dài từ 3 đến 10 ngày. Do ảnh hưởng của các yếu tố địa hình, địa mạo phức tạp, bị chia cắt mạnh và với vị trí địa lý đặc biệt nên khí hậu Vườn Quốc gia có các đặc trưng cơ bản sau :

• Chế độ nhiệt: Nhiệt độ trung bình hàng năm là 15,40C, vào các tháng mùa hè nhiệt độ trung bình từ 18 ÷ 200C, vào các tháng mùa đông từ 10 ÷ 120C. Nhiệt độ tối cao là 330C (vào tháng 4, ở các vùng thấp); Nhiệt độ tối thấp bình quân là 12,60C, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối từ 1 ÷ 20C (đặc biệt có những năm xuống tới - 3,20C). Nhiệt độ thấp từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, trên các đỉnh núi cao nhiều khi nhiệt độ xuống dưới 00C và có tuyết rơi. Tổng tích ôn trong năm từ 7.500 ÷ 7.8000 C. Tuy nhiên do đặc điểm địa hình của các khu vực khác nhau nên tạo ra các vùng sinh thái khác nhau và có nhiệt độ khác nhau trong cùng một thời điểm.

• Chế độ mưa,ẩm: Lượng mưa bình quân năm là 2.759mm, cao nhất 3.484 mm và phân bố không đều qua các tháng; mưa cũng phụ thuộc vào địa hình từng khu vực, càng lên cao mưa càng lớn, số ngày mưa trung bình năm 199,4 ngày và diễn biến không đều giữa các mùa. Mùa hè mưa nhiều chiếm tới 80 ÷ 85% tổng lượng mưa cả năm, mưa nhiều nhất vào tháng 7 và tháng 8, có ngày lượng mưa đạt tới 350mm. Mùa đông lạnh có mưa nhỏ, cũng có năm có thể xảy ra hàng tháng không có mưa, gây ra tình trạng khan hiếm nước, lượng mưa trung bình từ 50 ÷ 10 mm/ tháng. Độ ẩm không khí tương đối bình quân hàng năm từ 85 ÷ 90%, cao nhất đến 97%, thấp nhất vào tháng 4 khoảng 65 ÷ 70%.

• Chế độ nắng: Tống số giờ nắng trung bình hàng năm của khu vực VQG biến động trong khoảng 1.400 ÷ 1.460giờ. Số ngày nắng không đều giữa các tháng, mùa hè số giờ nắng nhiều, tháng 4 hàng năm nắng nhất khoảng từ 180 ÷ 200 giờ, tháng 10 là tháng nắng ít nhất khoảng từ 30 ÷ 40 giờ. Lượng bốc hơi nước trung bình năm là 865,5mm

• Chế độ gió: Khu vực Vườn Quốc gia có hai hướng gió chính và được phân bố theo mùa, mùa hè có gió Tây và Tây Bắc, mùa đông có gió Bắc và Đông Bắc. Với địa hình đồi núi phức tạp và nằm sâu trong lục địa, khu vực VQG ít chịu ảnh hưởng của chế độ gió mùa mà chủ yếu là gió địa hình diễn ra cục bộ, tốc độ gió trung bình khoảng 1,1m/s. Ngoài ra, còn có gió địa phương (gió đất, gió núi); loại gió này được hình thành do ảnh hưởng của địa hình gây ra sự chênh lệch áp suất không khí giữa các vùng nên tốc độ gió tương đối lớn (đặc biệt là gió Ô Quý Hồ). Đây là các loại gió nóng, dễ gây ra cháy rừng trong khu vực Vườn Quốc gia, thường xuất hiện từ tháng 2 đến tháng 4.

• Sương mù, sương muối: Sương mù thường xuất hiện phổ biến trong năm, đặc biệt vào mùa đông một số nơi có mức độ rất dày. Bình quân trong năm có khoảng 160 ngày có sương mù; trong năm bình quân có khoảng 6 ngày có sương muối, nhưng đôi khi có đợt kéo dài từ 3 đến 5 ngày, cao nhất tới 11 ngày.

• Tuyết, mưa đá: Tần suất xuất hiện mưa tuyết từ 4 ÷ 6 năm/lần, những ngày rét đậm trong mùa đông, nhiệt độ xuống thấp trên các đỉnh cao > 2.500m thường có tuyết phủ, đôi khi tuyết phủ xuống tới độ cao 1500m bao chùm cả thị trấn Sa Pa. Vào tháng 4, 5 thường có mưa đá, bình quân trong năm từ 2 ÷ 6 ngày có mưa đá, đường kính hạt đá trung bình 1,0 cm và gây nhiều thiệt hại cho rau, màu, hoa cảnh.