Khu BTTN Pù Luông có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, có ảnh hƣởng khía hậu của vùng Tây Bắc, chịu ảnh hƣởng sâu sắc của gió Lào.
Chế độ nhiệt: Nhiệt độ trung bình năm 230C; nhiệt độ trung bình cao nhất 380C; nhiệt độ tối thấp trung bình: 00C.
Lƣợng mƣa bình quân năm biến động từ 1.500 mm đến 1.600 mm.
Gió: Có 2 loại gió chính là gió mùa Đông Nam và gió mùa Đông Bắc, ngoài ra còn có gió Lào cũng xuất hiện. Mùa Hè có gió Đông Nam, Tây Nam kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10; mùa Đông có gió mùa Đông Bắc kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Do lƣợng mƣa vào mùa khô rất thấp, đồng thời lƣợng bốc hơi lại cao, do đó khu vực này thƣờng có mùa khô, nóng kéo dài, lại bị ảnh hƣởng của gió Lào. Đây cũng là thời điểm rất dễ xảy ra cháy rừng. Bên canh đó, do thiếu nƣớc vào mùa khô nên đã ảnh hƣởng đến các loài thú lớn.
Hệ thống thuỷ văn: Đặc điểm chủ yếu của hệ thống nƣớc Khu BTTN Pù Luông là trong thung lũng có một đƣờng yên ngựa tại vùng biên chung giữa các xã Phú Lệ và Thành Sơn. Đặc điểm này tạo ra đƣờng phân thủy giữa hai phụ lƣu Pung (chảy theo hƣớng Tây Bắc) và Cham (chảy theo hƣớng Đông Nam) trƣớc khi hợp dòng vào sông Mã. Sông Mã bao quanh vùng đệm của Khu BTTN Pù Luông về phía Tây, phía Nam và Đông Nam. Đây là điều kiện thuận lợi cho phát triển đƣờng thủy phục vụ đi lại và đối với du lịch du khách cũng có thể du thuyền trên sông Mã vòng quanh Khu bảo tồn thăm rừng Pù Luông ven sông Mã.