Huyện Cẩm Thủy nằm trong tiểu vùng khí hậu miền núi Thanh Hóa, nền nhiệt độ cao. Hàng năm có 2 mùa chính là mùa hè và mùa đông. Mùa hè khí hậu nóng, ẩm, chịu ảnh hưởng lớn của gió tây khô nóng. Mùa đông khô hanh, nhiệt độ thấp, chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc.
Nhiệt độ trung bình năm trong khoảng 20 - 22oC, mùa hè có gió tây khô nóng, tháng nóng nhất là tháng 7, nhiệt độ trung bình tới 27 - 28oC, khi có gió tây thì nhiệt độ lên tới 38 - 40oC. Mùa đông nhiệt độ thấp, có sương giá, sương muối, tháng lạnh nhất là tháng 1, nhiệt độ trung bình khoảng 15 - 17oC, có thời điểm xuống dưới 5oC.
khoảng 130 ngày có mưa. Lượng mưa phân bố không đều trong năm, tập trung tới 80% và mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 10), lượng mưa trung bình tháng khoảng 200 - 300 mm, tháng 8 có lượng mưa lớn nhất đạt tới 350 mm. Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, lượng mưa thấp trung bình 10 - 20mm.
Độ ẩm không khí trung bình năm khoảng 85%, mùa đông có những ngày hanh khô, độ ẩm xuống tới 50% (thường vào tháng 12). Mùa xuân có những ngày mưa phùn độ ẩm tới gần 90%.
Nhìn chung khí hậu ở huyện Cẩm Thủy khá thuận lợi cho phát triển sản xuất nông, lâm nghiệp với nhiều loại cây trồng phong phú. Tuy nhiên, cũng có những yếu tố bất lợi như sương giá, gió tây khô nóng, mưa bão… ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển của cây trồng. Đặc biệt lượng mưa tập trung thường gây ra các hiện tượng lũ quét, lở đất, ngập lụt, sạt lở bờ sông… ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất và tính mạng của người dân.