Huyện Mù Cang Chải nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nét giống khí hậu vùng ôn đới; một năm người ta có thể phân biệt hai mùa rõ rệt: Mùa khô hanh và mùa mưa. Mùa mưa nóng ẩm bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 10, thời gian này mưa nhiều, tháng mưa nhiều nhất là tháng 6, lượng mưa lên tới 3835 mm đồng thời thỉnh thoảng có xảy ra lũ lụt. Mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa ít tháng mưa ít nhất là tháng 12 với lượng nước là 144 mm, có độ ẩm từ 35 - 36% thỉnh thoảng xuất hiện sương mù.
Nhiệt độ bình quân trong năm của Mù Cang Chải là 19,5 oC, tháng nóng nhất là tháng 5, nhiệt độ có thể lên tới 32,5 oC. Nhiệt độ thấp nhất vào tháng 1 là 3 oC, cũng có những năm xuống tới 0 oC, xuất hiện tuyết. Tháng có số giờ chiếu sáng nhiều nhất trong năm là các tháng 8 và 9. Tháng có ngày nắng ít nhất là tháng 6 và 7 vì thời gian này mưa nhiều.
Điều kiện khí hậu trên đã hình thành cho người dân tại đây một tập quán sản xuất nông nghiệp độc canh và toàn bộ diện tích đất canh tác chỉ làm một vụ trong năm tập trung vào mùa mưa nóng ẩm từ tháng 4 đến tháng 10, 11. Mùa đông đất bỏ hoang do thời tiết rét thiếu nước tưới, các cây nhiệt đới không thích hợp đối với vùng núi cao.
Hầu hết diện tích của KBT L&SC Mù Cang Chải nằm trong vùng thượng nguồn sông Đà, có hệ thống thuỷ văn chính của phía Tây Hoàng Liên Sơn. 25 chi lưu chính chảy vào suối Nam Chai. Suối này thoát nước ở phía Tây (mặt trong) của các giông núi hình móng ngựa. Do đó, rừng trên núi của KBT có ý nghĩa bảo vệ quan trọng đối với vùng thượng lưu của lưu vực sông Đà.