Huyện Long Xan có khí hậu nhiệt đới gió mùa nhưng mang sắc thái khí hậu lục địa rõ rệt. Hàng năm ở đây có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến hết tháng 11 mưa thường tập trung vào tháng 8 và tháng 9. Mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau.
Chế độ nhiệt; ở khu vực trong năm hình thành 2 mùa rõ rệt: mùa nóng kéo dài 7 tháng (từ tháng 4 đến tháng 10), nhiệt độ trung bình tháng là 25- 23°C, với tháng nóng nhất là tháng 4. Mùa lạnh kéo dài 4 tháng (từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau) nhiệt độ trung bình tháng 18 – 25 °C, với tháng 2 là tháng lạnh nhất.
Chế độ ẩm: độ ẩm tương đối biến động theo mùa, tháng 5 – tháng 11, độ ẩm tương đối khoảng 75-83 %;
Lượng bốc hơi: theo số liệu ở trạm bản Na Pheng, lượng bốc hơi trung bình tháng giao động trong khoảng 52-74 mm, trong đó các tháng mùa mưa trung bình khoảng 68-74mm;
Chế độ gió trong khu vực có 2 mùa gió chính: gió Tây Nam trùng với mùa mưa, thịnh hành từ tháng 4 đến tháng 11. Gió đông Bắc trung với mùa khô, thịnh hành từ cuối tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Đáng chú ý là Gió mùa Đông Bắc khi qua lãnh thổ Việt Nam bị biến tướng trở nên khô hanh hơn, điều này càng thúc đẩy quá trình khô hạn của khu vực nghiên cứu. Giữa 2 mùa có những thời kỳ gió chuyên tiếp.
Chế độ mưa; lượng mưa trung bình hàng năm ở toàn huyện 1,600.00 mm. Lượng mưa tập trung chủ yếu vào mùa mưa, chiếm khoảng 75-80 % tổng lượng năm. Trong đó tháng có lượng mưa lớn nhất thường là tháng 7 đến tháng 8, tháng có lượng mưa nhỏ nhất là tháng 12.