Vịnh Lan Hạ 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 11-120
C.
Tổng số ngày nắng trong năm giao động từ 150 đến 160 ngày, tháng cao nhất có 188 giờ nắng, tháng 5, tháng7.
* 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 tháng 11 - 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 các 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.
* Thủy văn
Vịnh Lan Hạ 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. Trên một số đảo nhỏ hoặc ven đảo lớn nơi có nứt gãy kiến tạo chạy qua có xuất hiện "nước xuất Lộ" với dung lượng từ vài lít đến vài chục lít mỗi ngày.
* Hệ thống suối
Nhìn chung do cấu trúc Sơn văn của địa hình vùng núi đá vôi, nên trong vùng này hầu như không có dòng suối nào có nước quanh năm. Nguồn nước ngầm khá sâu tồn tại dưới dạng giếng Karst và sông biển. Tuy chưa có số liệu thăm dò nhưng qua dự đoán của các nhà chuyên môn thì nguồn nước ngầm khá phong phú. Nước chủ yếu nằm trong lớp phủ trầm tích, khả năng chứa nước của đá gốc là khá lớn.
Khó khăn lớn nhất cho khu vực vịnh Lan Hạ 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.
* Đặc điểm hải văn
- Thuỷ triều theo chế độ nhật triều thuần nhất, mức nước trung bình 3,3- 3,5 m. Mùa mưa (tháng 5-tháng 9) thuỷ triều lên cao vào buổi chiều. Mùa
khô (tháng 10-tháng 4 năm sau) thuỷ triều lên cao vào buổi sáng.
- Thủy triều và mực nước: Thủy triều có tính nhật triều đều rõ ràng (trong một ngày đêm có 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng). Biên độ cực đại gần 4m. Do ảnh hưởng của địa hình nên thường chậm pha hơn Hòn Dấu đến 30 phút.
Mỗi tháng có 2 kỳ nước cường (mỗi kỳ 11 - 13 ngày). Biên độ giao động 2,6 - 3,6m, xen kẽ là 2 kỳ nước kém (mỗi kỳ 3 - 4 ngày, có biên độ 0,5 - 1m).
Trong năm, biên độ triều lớn vào các tháng 6, 7 và tháng 11, 12, còn nhỏ hơn vào các tháng 3, 4 và tháng 8, 9.