乌海市地处大陆深处，属于大陆性暖温带气候。主要气候特征是：日照时间长，昼夜温差大，气候干燥，降水量少，风沙大。春季干旱、冷热变化大，夏季炎热高温、降水集中，秋季降温剧烈、天空晴朗，冬季少雪。

2020年平均气温9.6℃，是内蒙古自治区平均气温最高的地区。最低年平均气温8.1℃，最高年平均气温11.3℃。极端最高气温40.2℃，极端最低气温零下36.6℃。冬季平均气温7.2℃，春季平均气温11℃，夏季平均气温24.2℃，秋季平均气温9.3℃。春季气温高于秋季气温，冬季寒长，夏季热短，气温变化剧烈。农作物生长季节4~6月平均气温14.6℃，7~9月平均气温为22.3℃。初霜日一般在10月4~9日开始（最早于9月出现），终霜日一般在4月27~29日结束（最晚于5月结束）。无霜期165天左右。乌海市年平均气压为892.5百帕。

年平均降水量159.8毫米，年最多降水量为357.6毫米，年最少降水量为54.9毫米。农作物生长的4~9月平均降水量占年平均降水量的88%。年平均湿度为41%，年平均最大湿度为45%，出现在1994年，年平均最小湿度为38%，出现在1999年。年平均日照时数3138.6小时，是应照时数的69%~73%，农作物生长的4~9月为1768.3~1775.4小时，占全年日照时数的55%~58%，日照时数最长的6月，平均每天10~11小时，最短的12月，平均每天7小时。

年平均风速3.0米/秒，主要风向为南东风（东南风偏南22.5度）。冬季受强大的蒙古高压控制，盛行西北风，风速较小，平均风速仅2米/秒，是四季中风速最小的一季。春季平均风速3.5米/秒，是四季中风速最大的一季，大风、沙尘暴日数最多。夏季主要风向为南南东风，风速逐月减少。秋季平均风速为2.7米/秒。大风、沙尘暴具有明显的季节变化，大部分出现在春季与春夏交接之际，夏秋季出现较少。