Quần đảo trong phạm vi vườn quốc gia nằm trong dải vùng vịnh gần bờ, không khác biệt nhiều với khí hậu ven biển, nổi bật vẫn là vùng nhiệt đới gió mùa mưa mùa. Ảnh hưởng mạnh của 2 chế độ gió mùa thịnh hành là gió Đông Nam kéo theo mưa, và gió lạnh Đông Bắc. Cường độ tác động của 2 chế độ gió mùa đối với vùng quần đảo này mạnh hơn so với trong bờ đất liền.
Nhiệt độ trung bình hàng năm 22o8C, cao nhất 37o3C và thấp nhất 4,6oC. Lượng mưa trung bình hàng năm 1.225 milimét, mùa mưa vào tháng 5 đến tháng 10 (trong mùa mưa đạt tới 2.120 milimét). Lượng mưa trong những tháng mùa khô chỉ đạt 200 milimét, đồng thời với gió lạnh Đông Bắc. Độ ẩm trung bình năm 84%, vào mùa khô độ ẩm 70% và thấp hơn. Bão thường xuất hiện vào tháng 7 đến tháng 9 hàng năm, kèm theo mưa lớn, cường triều (sóng lớn tác động dữ đội vào sườn đông các đảo). Xuất hiện nhiều cơn gió lốc cục bộ trong vùng vịnh, gây những tác hại không kém bão, nghiêm trọng hơn là tính đột ngột không dự báo trước được như bão.
Đặc điểm thuỷ văn trên các đảo nổi chủ yếu là các dòng chảy mặt và nguồn nước ngầm, đặc điểm hải văn là chế độ nhật triều và ảnh hưởng của dòng hải lưu ven bờ tác động tới bờ đảo, thềm đảo, xuất hiện xâm thực.
Những dòng chảy mặt quan trọng hơn cả: 4 suối lớn có nguồn nước quanh năm trên đảo Ba Mùn, 3 suối lớn có nguồn nước quanh năm trên đảo Trà Ngọ Nhỏ, 2 suối vừa có nguồn nước quanh năm trên phần núi đất phía Bắc đảo Trà Ngọ lớn. Trên những đảo khác hầu hết rất hiếm các dòng suối, nguồn nước mặt không đáng kể trong năm.
Trên đảo Ba Mùn còn có suối Ổ Lợn, có nước quanh năm, nhưng cửa suối rộng, vừa bị xói lở đất đá mạnh trên lưu vực vừa bị cường triều xâm nhập mặn cao, nguồn nước kém giá trị sử dụng.
Chế độ nhật triều đều là yếu tố chủ yếu điều tiết chế độ hải văn ở vùng đảo và biển trong phạm vi vườn quốc gia. Biên độ triều cao nhất đạt tới 4 mét, phát sinh tác động ngoại lực mạnh đối với bờ các đảo, các bãi gian triều, những vũng, thung, áng thông thương với biển (đã tạo nên xâm thực, mài mòn nền tảng địa chất, hình thành nhiều bãi cát hình cánh cung hẹp, nhiều bãi đá và hòn nổi nhỏ...) các dòng hải văn biến đổi phức tạp theo thuỷ triều, theo các mùa gió thịnh hành, theo những mức độ tần suất sóng, nhưng đều theo chiều hướng dòng hoàn lưu ven bờ vịnh Bắc Bộ vòng xuống phía Nam và Tây Nam.
Độ mặn của nước biển cao, thấp khác nhau theo từng khu vực: Phía đông quần đảo độ mặn cao từ 31 đến 34o/oo, nhưng ở phía tây quần đảo (trong các lạch biển nông) độ mặn thấp hơn nhiều, do vậy tạo ra nhiều khu hệ môi trường biển cho nhiều loài sinh vật khác nhau trên biển quanh các đảo. Đánh giá chung môi trường nước biển quanh các đảo trong phạm vi vườn quốc gia có độ muối cao, từ khu vực nước mặn đến khu vực nước lợ, hàm lượng ô xy hoà tan rất cao, hàm lượng Amiôniac thấp, chưa có dấu hiệu bị ô nhiễm, vật chất lơ lửng cũng thấp, môi trường thích nghi cho nhiều loài sinh vật biển.