Vị trí địa lý và địa hình nằm trong cánh cung Đông Triều – Móng Cái, có nhiều dãy núi cao ở phía Bắc và thấp dần xuống phía Nam đã tạo cho Uông Bí một chế độ khí hậu đa dạng, phức tạp vừa mang tính chất khí hậu miền núi vừa mang tính chất khí hậu miền duyên hải.
Dãy núi Bình Hương với độ cao 384 m nằm giữa vùng núi Yên Tử và núi Bảo Đài đã tạo nên dải thung lũng dài, hẹp và vùng đất thấp làm cho khí hậu Uông Bí phân thành nhiều tiểu vùng khác nhau. Trong đó, vùng núi cao phía Bắc đường 18B có khí hậu miền núi lạnh và mưa vừa; vùng núi cao dọc đường 18B có khí hậu thung lũng, ít mưa, mùa hè nóng, mùa đông lạnh; vùng núi nằm giữa phía Nam đường 18B và phía Bắc đường 18A kéo dài đến hạ lưu sông Đá Bạc có tính chất khí hậu miền duyên hải.
Nhiệt độ trung bình năm là 22,20C. Mùa hè nhiệt độ trung bình 22 – 300C, cao nhất 34 – 360C. Mùa đông nhiệt độ trung bình 17 – 200C, thấp nhất 7 – 120C. Số giờ nắng trung bình mùa hè 6 – 7 giờ/ngày, mùa đông 3 – 4 giờ/ngày, trung bình số ngày nắng trong tháng là 24 ngày. Độ ẩm tương đối trung bình năm là 81%, độ ẩm tương đối thấp nhất trung bình là 50,8.
Tổng lượng mưa trung bình năm là 1.600mm, cao nhất 2.200mm. Mưa thường tập trung vào các tháng 6,7,8 trong năm, chiếm tới 60% lượng mưa cả năm. Lượng mưa trung bình giữa các tháng trong năm là 133,3mm, số ngày có mưa trung bình năm là 153 ngày.
Hướng gió chủ đạo trong năm là hướng Đông Nam thổi vào mùa hè và Đông Bắc thổi vào mùa đông. Trong các tháng mùa hè thường chịu ảnh hưởng của mưa bão với sức gió và lượng mưa lớn.
Cũng như các huyện, thị xã, thành phố khác ven biển Bắc Bộ, trung bình mỗi năm có khoảng 2-3 cơn bão ảnh hưởng trực tiếp tới Uông Bí.
Khí hậu ở Uông Bí thuận lợi cho phát triển kinh tế, đời sống và môi sinh. Trong đó, nhờ địa hình đa dạng tạo ra nhiều vùng khí hậu khác nhau, thích hợp cho sản xuất nông lâm thủy sản và phát triển các loại hình du lịch.