Khu bảo tồn thiên nhiên Bình Châu Phước Bửu nằm trong vùng ảnh hưởng của chế độ khí hậu nhiệt đới mưa mùa. Theo số liệu quan trắc của Trạm Vũng Tàu ghi nhận như sau[1]:
Lượng mưa bình quân hàng năm là 1.396 mm, số ngày mưa bình quân trong năm là 124 ngày, thấp hơn hẳn so các khu vực lân cận. Lượng mưa phân bố không đều trong năm, mùa mưa thường bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào cuối tháng 10, nhưng lượng mưa thường tập trung vào tháng 7, 8, 9 hàng năm. Mùa khô thường
bắt đầu từ tháng 11 kéo dài đến tháng 4 năm sau, trong khi đó lượng bốc hơi lại cao, chiếm gần 60% tổng lượng bốc hơi, dẫn đến đất bị giảm chất hữu cơ và chai cứng bề mặt.
Nhiệt độ bình quân hàng năm của không khí đạt 25,30c , nhiệt độ cao nhất thường xuất hiện vào tháng 4 -5, thấp nhất vào tháng 12, tháng 1.
Độ ẩm của không khí khá cao, độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm là 85.2%, độ ẩm thấp nhất vào tháng 1 đến tháng 3.
Chế độ gió: Khu Bảo tồn thiên nhiên Bình Châu Phước Bửu chịu ảnh hưởng của 2 hướng gió thịnh hành theo hai mùa là:
- Gió Tây Nam thổi vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11.
- Gió Đông Bắc thổi vào mùa khô từ giữa tháng 11 đến tháng năm sau.
Hai hướng gió này đều từ biển Đông thổi vào và có sự ảnh hưởng rất lớn đến phân bố thực vật cũng như quá trình sinh trưởng, phát triển.
Thuỷ văn Khu bảo tồn có khoảng 43 km suối như: suối Cát, suối Nhỏ, suối Bang,…. Ngoài ra còn có một số bàu và hồ có nước theo mùa như: Bàu Nhám, Hồ Cốc, Hồ Linh, Bàu Tròn, Hồ Tràm…
Về nguồn nước ngầm, theo kết quả điều tra nghiên cứu nước ngầm của Đoàn Địa chất Thuỷ văn 707 năm 1999, phần lớn diện tích huyện Xuyên Mộc đặc biệt là vùng ven biển, vùng tiếp giáp huyện hàm tân, tỉnh Bình Thuận là vùng không thuận lợi hoặc không có khả năng khai thác nước ngầm.