Miền núi trung du Thanh Hóa nói chung và khu BTTN Xuân Liên nói riêng nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa với 4 mùa rõ rệt. Khí hậu khu vực có đặc trưng: tháng lạnh nhất là tháng 1, nóng nhất là tháng 6 và 7; có 6 tháng mùa khô (từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau), 4 tháng kiệt là tháng 12, 1, 2 và 3; có 6 tháng mưa (từ tháng 5 đến tháng 10) cường độ lớn, nhiều trận mưa > 350mm/ngày. Khu vực có gió Lào (khô nóng), xuất hiện từ tháng 5 đến tháng 8. Lượng mưa trung bình năm khoảng 1700-2000mm, lượng mưa cao nhất từ 2000-2500mm, có năm lên đến 3.000mm. Lượng mưa thấp nhất 1400mm, cá biệt có năm thấp đến 1.060mm; mỗi năm có khoảng 90-130 ngày mưa, số giờ nắng bình quân khoảng 1600-1800 giờ, nhiệt độ trung bình 230C - 240C. Độ ẩm bình quân từ 85% đến 87%, có ngày thấp tới 16%. Vào mùa Đông thường có thời tiết khô hanh với gió mùa Đông Bắc khá mạnh, sương muối thường xuất hiện ở mùa này [1], [2], [54].
Hướng gió phổ biến là Đông Bắc vào mùa đông và Đông Nam vào mùa hè. Tuy nhiên vẫn có xen kẽ các loại gió khác. Ví dụ mùa đông vẫn có gió Tây Nam, Đông Nam. Gió Tây khô nóng thường xuất hiện vào tháng 5, 6, 7, 8.
Thủy văn khu bảo tồn có các hệ thủy chính sau:
- Lưu vực sông Chu: đây là một nhánh lớn của sông Mã, chạy gần song song với sông Mã và gặp nhau tại ngã ba Bông. Sông Chu là con sông lớn thứ 2 trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa, lòng sông hẹp, chảy qua nhiều địa hình cao, dốc, có dòng chảy xiết. Hiện nay việc ngăn dòng sông Chu để xây dựng đập thủy lợi,
thủy điện Cửa Đạt với dung tích chứa 1,3 tỷ m3 nước đang trong giai đoạn hoàn thành, đã tạo ra trong lòng khu bảo tồn mặt hồ có diện tích trên 2.800 ha [1].
- Lưu vực sông Khao: là chi lớn nhất của sông Chu, bắt nguồn từ vùng núi cao thuộc xã Bát Mọt. Vùng thượng nguồn sông Khao rất hẹp, dốc và có nhiều thác ngềnh (thác Tiên cao trên 60m), tổng lượng chảy trung bình năm là 285.836 x 106 m3/năm.
- Lưu vực sông Đặt: bắt nguồn từ đỉnh Pù Gió, chảy qua 4 xã thuộc huyện Thường Xuân gặp sông Chu ở Cửa Đặt, tổng lượng chảy trung bình năm là 285.289 x 106 m3/năm.
Ngoài ra trong lưu vực còn khá nhiều dòng suối lớn chảy vào sông Chu như suối Khuê, hón Yên, Nậm Ruộng, Nậm Poóng chảy vào sông Khao. Nhìn chung hệ thống thủy văn trong khu vực khá phong phú với thảm thực vật còn khá tốt nên các dòng sông, suối có nước chảy quanh năm.