- Khí hậu: Khí hậu có 2 mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 10, gió Đông Nam chiếm ưu thế, khí hậu nóng ẩm và mưa nhiều. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3, gió đông bắc chiếm ưu thế, lượng mưa ít, thời tiết hanh khô. Đặc trưng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm thể hiện rõ qua các chỉ số: nhiệt độ trung bình từ 22, 90 C; tổng tích ôn từ 7.000-8.0000 C.
Đại Từ có lượng mưa cao, bình quân 1.872 mm/năm, phù hợp cho nhiều loại cây trồng phát triển. Lượng mưa phân bố không đều, có chênh lệch lớn giữa mùa mưa và mùa khô. Về mùa mưa cường độ mưa lớn, chiếm tới gần 80% tổng lượng mưa trong năm.
Độ ẩm không khí khá cao, trung bình năm 82%. Chênh lệch độ ẩm giữa mùa mưa và mùa khô lớn. Về mùa mưa do ảnh hưởng của gió mùa, mưa nhiều nên độ ẩm khá cao 81-86%, mùa khô độ ẩm thấp, cây trồng thường thiếu nước vào vụ đông.
- Thủy văn: Địa bàn huyện có hệ thống sông, suối, ao, hồ khá dày đặc, với nguồn nước rồi dào, rất thuận lợi cho việc tưới tiêu trồng trọt và cung cấp nước sinh hoạt cho người dân. Sông Công chảy từ huyện Định Hoá, chiều dài chạy qua địa phận của huyện là 24km. Ngoài ra còn có hệ thống các suối như: suối La Bằng, Quân Chu, Cát Nê, Phục Linh... là nguồn cung cấp nước rất quan trọng trong huyện. Hồ Núi Cốc rộng 25km2 với dung tích 175 triệu m3 nước, phần diện tích thuộc địa bàn huyện Đại Từ khoảng 769 ha, là khu du lịch và là nơi cung cấp nước cho sản xuất và sinh sinh hoạt cho nhân dân.