Huyện Hương Sơn nằm trong vùng có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, có sự phân hoá khắc nghiệt với mùa đông lạnh - ẩm, mưa nhiều, mùa hè khô nóng.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ của huyện tương đối thấp, với nhiệt độ trung bình cả năm khoảng 23,40C, nhiệt độ cao tuyệt đối khoảng 39,70C, các tháng có nhiệt độ cao là tháng 6, 7, 8; nhiệt độ thấp tuyệt đối khoảng 5,10C có khi xuống thấp tới 4 - 50C, các tháng có nhiệt độ thấp là tháng 12, 1, 2.
- Lượng mưa: Tổng lượng mưa bình quân của huyện tương đối lớn, từ 2.000 đến 2.500 mm nhưng phân bố không đều giữa các tháng trong năm.Tổng lượng mưa 5 tháng mùa lạnh chiếm khoảng 26% lượng mưa cả năm. Lượng mưa chủ yếu tập trung vào mùa mưa (chiếm khoảng 74%). Số ngày mưa trung bình năm khá cao, phổ biến từ 150-160 ngày.
- Lượng nước bốc hơi: Về mùa đông lượng bốc hơi nhỏ, chỉ chiếm 1/5 – 1/2 lượng mưa. Về mùa nóng thì ngược lại, có lượng bốc hơi lớn, lượng bốc hơi của tháng 7 có thể gấp 4-5 lần các tháng mùa lạnh, trung bình 900 – 1.000 mm/năm.
- Độ ẩm không khí: Độ ẩm không khí bình quân năm là 85%, thấp nhất vào các tháng 6 và 7. Độ ẩm không khí dao động trong khoảng 75% - 90%.
- Số giờ nắng: Tổng cả năm có khoảng 1.465 giờ, các tháng mùa đông trung bình 50 - 75 giờ, các tháng mùa hè trung bình từ 190 - 200 giờ. Mùa hè nắng gắt nên bất lợi cho quá trình quang hợp, tăng sự thoát hơi nước làm ảnh hưởng xấu đến sản xuất nông nghiệp.
- Gió: Có hai loại gió chính: Gió mùa Đông bắc và gió Tây nam.
3.1.1.4. Thuỷ văn
Huyện có hệ thống sông suối khá dày đặc nhưng chiều dài của các con suối ngắn có lưu lượng nước nhỏ, suối có độ dốc và tốc độ dòng chảy lớn, mật độ sông suối phân bố tương đối đồng đều trung bình là 1,1km chiều dài/ km2.
Ngoài ra huyện còn có nhiều kênh, hồ, đập lớn nhỏ nên đã phần nào đáp ứng được công tác điều tiết nước trong mùa mưa lụt và cung cấp nước trong mùa khô phục vụ sản xuất nông nghiệp.
Huyện có con sông lớn duy nhất chảy qua là sông Ngàn Phố. Sông có chiều dài khoảng 70km, diện tích lưu vực của sông khoảng 1.060 km2.