Vườn Quốc gia Cát bà thuộc chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa và chịu ảnh hưởng trực tiếp của khí hậu đại dương, có gió mùa Tây Nam về mùa hạ và gió mùa Đông Bắc về mùa đông, ít khắc nghiệt hơn các vùng có cùng vĩ độ ở đất liền. Tuy nhiên, do sự khác biệt về địa hình, và ảnh hưởng của biển, nhất là ảnh hưởng của các yếu tố độ cao, hướng núi, thảm thực vật rừng mà chế độ khí hậu cũng có sự khác nhau giữa các khu vực, trong vùng.
+ Nhiệt độ
Nhiệt độ trung bình năm là: 23,60 C. Tháng có nhiệt độ cao nhất là tháng 7, nhiệt độ trung bình từ 28 -290 C, cao nhất 320 C. Tháng có nhiệt độ thấp nhất là tháng 1 nhiệt độ trung bình từ 16 -170 C, thấp nhất 100C, đôi khi xuống tới 50C. Mùa nóng bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10, mùa lạnh từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Giữa hai mùa chênh lệch từ 11-120C.
+ Lượng mưa
Lượng mưa trung bình quân cả năm là: 1.500 - 2.000 mm/năm. Một năm có hai mùa rõ rệt.
- Mùa mưa (từ tháng 5 đến tháng 10): lượng mưa trong mùa này chiếm gần 80- 90 % tổng lượng mưa cả năm, tập trung vào các tháng 7,8,9.
- Mùa khô (từ tháng11-tháng 4 năm sau): đầu mùa khô thường hanh, cuối mùa ẩm ướt và có mưa phùn (từ tháng 2 đến tháng 4).
Độ ẩm không khí trung bình cả năm là 86%, thấp nhất vào tháng1 là 73%, cao nhất tháng 4 đạt 91%. Lượng bốc hơi nước hàng năm khoảng 700mm, trong các tháng khô hanh thường xảy ra khô hạn thiếu nước.
Sương mù thường xuất hiện vào mùa Đông và mùa xuân từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Thời gian này còn có mưa phùn (20 - 40 ngày/năm) đã làm giảm đáng kể chế độ khô hạn trong vùng.
+ Gió bão
Trong vùng, có hai loại gió chính: về mùa khô là gió Đông- Đông bắc, về mùa mưa là gió Đông, Đông Nam. Ngoài ra, bão thường xuất hiện từ tháng 6 đến tháng 10, bình quân có 2,5 trận bão/năm. Bão thường kéo theo mưa lớn gây lụt lội, nhất là trong cá thung, áng. Bão kèm theo mưa lớn gây ảnh hưởng nặng đến các hệ thống đê, các khu vực canh tác nuôi trồng thuỷ sản.
+ Đặc điểm thủy văn
Cát Bà là quần đảo đá vôi, gần như hệ thống sông suối trên đảo không phát triển. Những dòng chảy tạm thời chỉ xuất hiện trong cơn mưa và ngừng ngay sau khi mưa. Vào mùa mưa, nước đọng lại ở một số vùng nhỏ, thấm dột trong những hang động. Tuy rất ít, nhưng đây lại là nguồn nước khá thường xuyên cho động thực vật trên đảo.
- Hệ thống suối
Hệ thống suối ở Cát Bà gồm các con suối sau: Suối Thuồng Luồng (xã Trân Châu), Suối Trung Trang, Suối Treo Cơm (khu Đồng Cỏ), Nguồn nước ao ếch: ao ếch là hồ nước thiên nhiên trên núi đá vôi, diện tích khoảng trên 3,6 ha, nước có quanh năm, đạt trên dưới 30cm, nằm giữa khu vực rừng nguyên sinh. Ngoài ra một số áng cũng có nước quanh năm như áng Bèo, áng Bợ, áng Thẳm, áng Vẹm...
Khó khăn lớn nhất cho VQG Cát Bà nói riêng, quần đảo Cát Bà nói chung là thiếu nước ngọt cho cả sinh hoạt lẫn tưới tiêu trong sản xuất. Trong tương lai khi kinh tế phát triển việc khan hiếm nước ngọt càng trở nên bức xúc hơn, cần đầu tư cho công tác điều tra, thăm dò để tìm kiếm các mỏ nước ngầm có trữ lượng cao, để khai thác sử dụng.