Khí hậu chia thành hai kiểu khá rõ ràng.Ở khu vực đồng bằng, độ cao nhỏ, khí hậu chịu ảnh hưởng của hai loại gió mùa đông bắc và đông nam - chế độ khí hậu chung của miền trung Việt Nam. Ở khu vực miền núi, có độ cao lớn, là sự kết hợp của chế độ khí hậu Lào và Miền trung Việt Nam. Khí hậu trong năm được hình thành 3 mùa rõ rệt: mùa đông từ tháng 12 đến tháng 3, thời tiết lạnh, độ ẩm cao; mùa hè từ tháng 4 đến tháng 8, mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 11, lượng mưa rất lớn nên có thể gây lũ lụt.
- Nhiệt độ
Nhiệt độ trung bình cao nhất vào tháng 7, nhiệt độ trung bình tháng là 290C và nhiệt độ trung bình cực đại là 34,70C. VQG Vũ Quang có sự biến đổi độ cao rất lớn nên nhiệt độ thay đổi theo độ cao- độ cao tăng thêm 100 m thì nhiệt độ giảm 0,60C.
- Lượng mưa
Tổng lượng mưa trung bình năm Hương Khê là 2418 mm và ở Hương Sơn là 23900 mm. Lượng mưa chủ yếu tập trung vào tháng 9 và tháng 10. Số ngày mưa trong tháng phân bố khá đều trong năm. Mùa đông lượng mưa không lớn (45–64 mm), chủ yếu là mưa phùn.
- Cường độ bốc hơi và độ ẩm
Lượng bốc hơi cao nhất vào tháng 7, tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất trong năm, và lượng bốc hơi nhỏ nhất vào tháng 3 là tháng có số giờ nắng thấp nhất trong năm.
Độ ẩm ở đây khá cao quanh năm (lớn hơn 70%). Độ ẩm cực đại vào tháng 2 (91%). Độ ẩm cực tiểu vào tháng 7, khi số giờ nắng và nhiệt độ đạt cực đại.
Sông suối.
Đại diện cho hệ thống thủy văn của VQG Vũ Quang là ba con sông chính: Khe Chè, Ngàn Trươi, Rào Nổ và một hệ thống các suối nhánh nhỏ trên lưu vực các con sông này. Sông Khe Chè bắt nguồn từ phía Tây- Xã Kim Sơn, chảy theo hướng nam bắc và chảy vào sông Ngàn Phố, ở thượng nguồn sông này có độ dốc khá lớn nên dòng chảy có cường độ mạnh và phức tạp, càng xuống thấp dòng chảy chậm và ổn định hơn do địa hình bằng phẳng hơn. Sông Ngàn Trươi bắt nguồn từ biên giới Việt - Lào, và đổ vào sông Ngàn Trươi. Sông Rào Nổ bắt nguồn từ phía đông của VQG, lúc đầu chảy theo hướng bắc nam và sau đó chảy theo hướng đông và nhập vào sông Ngàn Sâu.
Nói chung những con sông này được hình thành ở những khu vực có địa hình phức tạp, có độ dốc cao nên dòng chảy có cường độ mạnh và nhiều đoạn khác nhau và gần xuống thấp thì dòng chảy ổn định hơn.