Tuyên Quang nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều do đó đặc điểm khí hậu diễn biến theo 2 mùa rõ rệt.

Tuyên Quang có tổng nhiệt độ rất cao, từ 4.921,3 - 4.942,7^oC, tương tự như ở Hà Nội. Đặc biệt, số giờ nắng lại cao hơn vùng đồng bằng Bắc Bộ, vì trong các tháng mùa hè, vùng đất trũng thấp của Tuyên Quang có lượng mây thấp hơn các vùng cao gần đó như Bắc Quang, Hà Giang.

Mùa khô từ thàng 11 đến tháng 3 năm sau: nhiệt độ trung bình thấp, độ ẩm không khí trung bình trong các tháng này đạt 86%. Lượng mưa ít, lượng mưa bình quân trong các tháng mùa khô đạt xấp xỉ 39mm. Tháng có lượng mưa thấp nhất là tháng 12 (21,7mm ở Chiêm Hoá, 22,7mm ở Hàm Yên và 18,7mm ở Tuyên Quang). Lượng bốc hơi bình quân trong các tháng mùa khô (46,48mm ở Chiêm Hoá, 35,9mm ở Hàm Yên và 49,8mm ở Tuyên Quang).

Nhìn chung về mùa khô nhiệt độ xuống thấp, lượng mưa ít, lượng bốc hơi lại lớn nên thường làm cho đất bị khô hạn, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển một số loại cây trồng.

- Chế độ nhiệt: Lượng nhiệt trung bình trong năm là 8.000 - 8.500^oC. Nhiệt độ trung bình trong năm ở Tuyên Quang là 22 - 24^oC. Thời kỳ nóng nhất thường vào tháng 6 và tháng 7, có ngày lên tới 39 - 40^oC. Thời kỳ lạnh nhất thường vào các tháng 12, tháng 1. Nhiệt độ thấp nhất xuống dưới 5oC. Chế độ nhiệt có sự phân hoá. Nhiệt độ trung bình của thành phố Tuyên Quang luôn cao hơn các huyện Hàm Yên, Chiêm Hoá từ 0,2 - 0,4^oC.

- Chế độ mưa: Lượng mưa trung bình/ năm của tỉnh dao động trong khoảng khá rộng  từ  1.260mm  đến  2.410mm  và  mỗi năm trung bình có khoảng 145 - 170 ngày mưa. Ở những vùng cao có địa hình đón gió:  Thổ  Bình,  Hà  Lang...  lượng  mưa  có thể đạt từ 2.000 - 2.400mm/năm. Ở những nơi  thung  lũng  khuất  gió,  lượng  mưa thấp,  thường  dưới  1.500mm/năm.  Biến động của lượng mưa từ năm này qua năm khác không lớn, hệ số biến động của tổng lượng mưa các năm vào khoảng 15 - 17%.

Lượng mưa tỉnh Tuyên Quang khá phong phú nhưng phân bố không đều theo không gian và thời gian (bị chi phối bởi điều kiện địa hình và hoàn lưu gió mùa). Lượng mưa chủ yếu tập trung trong mùa hạ (hơn 80%), kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10. Mưa nhiều nhất vào tháng 8 đến tháng 9. Ngược lại, mùa đông khô ráo kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, trong đó tháng 12 và tháng 1 lượng mưa thấp nhất (10 - 54 mm/tháng). Huyện Hàm Yên là nơi có lượng mưa cao nhất tỉnh (2.300mm/ năm - 1996).

Lượng mưa trung bình năm dao động trong khoảng khá rộng, từ 1260mm đến 2410mm và mỗi năm trung bình có 145 - 170 ngày có mưa. Ở những vùng cao có địa hình đón gió (Thổ Bình, Hà Lang, Mỹ Bằng, lượng mưa trung bình trên 2.000 mm/năm). Ở những thung lũng ven sông, địa hình khuất, lượng mưa thường dưới 1.500mm/năm.

-  Độ  ẩm  không  khí:  Độ  ẩm  không  khí trung bình năm là 85%. Hàm Yên và Chiêm Hóa là những nơi có độ ẩm cao hơn cả.

- Chế độ gió: ở Tuyên Quang chế độ gió thay đổi theo mùa. Về mùa hạ, hướng gió thịnh hành là đông nam và nam. Về mùa đông, khi gió mùa đông bắc tràn về, hướng gió chủ yếu là bắc và đông bắc. Trong các thung lũng, khu vực ven sông, hướng gió phụ  thuộc  vào  điều  kiện  địa  hình,  có  khi đối lập với hướng hoàn lưu chung. Tốc độ

Mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 10: nhiệt độ trung bình tương đối cao, tháng có nhiệt độ cao là tháng 6, tháng 7 và tháng 8 (tháng có nhiệt độ cao nhất là tháng 7: 33,1^oC). Lượng mưa lớn cũng thường tập trung trong tháng này (304,5mm vào tháng 8) đã gây nên tình trạng xói mòn rửa trôi ở những vùng đất dốc, canh tác không hợp lý...