KBTTN Pù Luông có khí hậu nhiệt đới gió mùa, và có gió mùa Đông Bắc từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau, gió mùa Đông Nam từ tháng 3 đến tháng 10. Gió Lào khô nóng thổi từ hƣớng Tây xuất hiện vào giữa tháng 4 và tháng 5 (Anon, 1998).
Nhiệt độ trung bình hàng năm biến động trong khoảng từ 20-250C. Nhiệt độ tối đa đạt xấp xỉ 370C đến 390
5-100C. Nhiệt độ trên các vùng cao nhƣ khu vực Son- Bá- Mƣời có thể xuống tới điểm đóng băng. Lƣợng mƣa trung bình hàng năm tƣơng đối thấp, từ 1.500-1.600 mm. Lƣợng mƣa tối đa ƣớc đạt 2.540 mm, tập trung từ tháng 7 đến tháng 9 (chiếm 65-70%). Mƣa phùn tập trung vào mùa Xuân (từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau). Lƣợng mƣa tối thiểu khoảng 1.000 mm (Anon, 1998).
Chế độ thủy văn ở dãy núi đá vôi tƣơng đối phức tạp, ở đây có rất ít hay gần nhƣ không có mặt nƣớc thƣờng xuyên. Dãy núi phía Tây Nam, các mạch nƣớc nổi phổ biến hơn và các khe suối có mực nƣớc ít thay đổi theo mùa hơn. Tuy nhiên, đặc trƣng chính của hệ thống thuỷ văn trong khu vực nằm ở vùng thung lũng. Thung lũng này không liên tục nhƣng vùng yên ngựa ở điểm giữa của thung lũng lại là nơi xuất phát của hai sông nhỏ, một chảy về hƣớng Tây Bắc dọc theo thung lũng rồi đổ vào sông Mã ở khu vực xã Phú Lệ, con sông còn lại cũng chạy dọc theo thung lũng nhƣng theo hƣớng Đông Nam và đổ vào sông Mã ở vùng hạ lƣu.