Khí hậu huyện Hương Thủy nói chung và xã Thủy Phương nói riêng chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa của miền Trung, một năm chia hai mùa rõ rệt. Nhiệt độ trung bình cao nhất vào tháng 7 khoảng 29,60C, nhiệt độ trung bình thấp nhất vào tháng 1 khoảng 19,90C.
Chế độ nhiệt: Nhiệt độ trung bình năm 25-270C. Mùa khô bắt đầu từ tháng 3 đến tháng 9 trong năm, chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam nên rất khô hạn. Nhiệt độ trung bình các tháng mùa khô từ 27-290C, nhiệt độ trung bình các tháng mùa mưa từ 20-220C.
Chế độ mưa: lượng mưa trung bình hàng năm là 2500mm tuy nhiên phân bố không đều. Mùa mưa thường kéo dài từ tháng 10 đến tháng 2 năm sau kèm theo mưa lạnh, gió mùa Đông Bắc. Mưa mthường tập trung vào 4 tháng 10, 11, 12, 01, lượng mưa chiếm hơn 50% lượng mưa trong năm.
Chế độ ẩm: Độ ẩm bình quân năm 85%, độ ẩm cao nhất 90% rơi vào tháng 10, 11, 12, độ ẩm thấp nhất rơi vào các tháng 5, 6, 7 khoảng 72%.
Chế độ gió: thường có hai hướng gió chính đó là gió mùa Đông Bắc xuất hiện vào mùa mưa, gây mưa lạnh kéo dài và giá rét. Gió mùa Tây Nam xuất hiện vào mùa khô kèm theo không khí nóng. Ngoài ra, trong năm còn có xuất hiện hướng gió phụ đó là gió Đông Nam mang hơi nước thổi từ biển vào.
Nhìn chung, khí hậu của xã Thủy Phương nói riêng cũng như toàn huyện Hương Thủy nói chung có nền nhiệt độ cao, lượng mưa lớn thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của các loại cây trồng. Tuy nhiên mưa tập trung cường độ lớn gây nhiều khó khăn cho sản xuất nông nghiệp như gây lũ lụt vào mùa mưa, hạn hán vào mùa nắng….