Khí hậu Đồng Sơn - Kỳ Thượng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ảnh hưởng của khí hậu đại dương [38],có các đặc trưng sau :
- Mùa trong năm: Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt, mùa đông lạnh và khô kéo dài từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, mùa hè nóng ẩm từ tháng 4 đến tháng 9.
- Chế độ nhiệt: Nhiệt độ trong bình năm là 230c, nhiệt độ trung bình mùa nóng là 250c. Nhiệt độ trung bình mùa lạnh là 200c, biên độ nhiệt ngày và đêm 5-80c, tổng tích ôn trung bình năm là 8.0000c. Nhiệt độ tối cao tuyệt đối 410c (tháng 6), nhiệt độ tối thấp tuyệt đối đã có lần xuống tới 00c (tháng 1). Trong năm, có những ngày có nhiệt độ xuống dưới 100c ở trong các thung lũng thuộc Đồng Sơn - Kỳ Thượng kéo dài theo các đợt gió mùa Đông Bắc trong mùa rét.
- Chế độ mưa: lượng mưa bình quân năm là 2.000 - 2.400mm, mưa tập trung vào các tháng 7,8 chiếm khoảng 80% lượng mưa trong năm. Đặc biệt trong tháng 7,8 thường xảy ra lũ ở các suối trong khu vực. Trong mùa khô, lượng mưa chỉ chiếm 15 – 20% lượng mưa trong năm nên mùa khô thường gây ra hiện tượng khô hạn kéo dài từ 2 đến 3 tháng.
- Chế độ ẩm: Độ ẩm bình quân năm là 80%, cao nhất vào các tháng 3-4 lên tới 89% và thấp nhất là 65% vào các tháng 1-2. Lượng bốc hơi bình quân năm là 1.300mm. Trong các tháng khô hạn có lúc độ ẩm xuống 40-50% gây ra nóng bức và khô, ảnh hưởng không tốt đến cây cối.
- Chế độ gió: Khu vực Đồng Sơn - Kỳ Thượng có 2 loại gió thịnh hành là gió Đông Bắc vào mùa khô hanh và gió Đông Nam vào mùa mưa. Gió Đông Bắc lạnh thường xảy ra vào các ngày khô hanh độ ẩm thấp thường gây thiệt hại cho cây cối.
- Bão: Mặc dù khu vực Đồng Sơn - Kỳ Thượng gần biển nhưng do vịnh Hạ Long có nhiều đảo che chắn nên ít bị ảnh hưởng của bão lớn. Tuy vậy, hàng năm vẫn chịu ảnh hưởng trung bình từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào với tốc độ gió cấp 8, cấp 9 gây mưa lớn kéo dài, nhiều vùng bị lũ lụt ảnh hưởng lớn tới sản xuất nông lâm nghiệp.
- Sương muối: Do đặc điểm địa hình nên trong các thung lũng thường xuất hiện sương muối. Sương muối thường xảy ra vào các tháng 12, tháng 1 ảnh hưởng đến cây trồng đặc biệt là cây trồng nông nghiệp và cây trồng lâm nghiệp trong giai đoạn đang được chăm sóc ở vườn ươm.
- Các nhân tố cực đoan: Mùa mưa hay có mưa lớn và kéo dài gây lũ cục bộ. Gần đây xuất hiện mưa axit. Mùa đông thường xuất hiện sương muối. Đây là yếu tố gây trở ngại không nhỏ đến đời sống, giao thông và sản xuất nông lâm nghiệp.
Nhìn chung khí hậu Đồng Sơn - Kỳ Thượng thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa (ở dưới thấp) và khí hậu á nhiệt đới núi thấp (ở trên đỉnh cao), chế đọ nhiệt, mưa, ẩm, gió, bốc hơi, phân mùa của khu vực là thuận lợi cho cây rừng sinh trưởng và phát triển. Tuy nhiên, yếu tố khí hậu cực đoan cũng gây không ít khó khăn đến việc tổ chức sản xuất, đi lại và sinh hoạt.
Khu vực Đồng Sơn - Kỳ Thượng có 2 hệ thống suối chính:
- Hệ thống suối tụ nước đổ về sông Ba Chẽ ở phía Bắc Khu bảo tồn. - Hệ thống suối tụ nước đổ về sông Man ở phía Nam Khu bảo tồn. Hai hệ thống suối này đều bắt nguồn từ các dãy núi và đỉnh núi trong KBTTN Đồng Sơn - Kỳ Thượng nơi có khá nhiều rừng tự nhiên, tuy có cạn về mùa khô nhưng các suối phần lớn có nước quanh năm, đáp ứng được yêu cầu đười sống và sản xuất trong khu vực. Những năm gần đây do ảnh hưởng của nạn phá rừng tự nhiên, mở đường và san lấp đồng ruộng của các xã quanh KBTTN dẫn đến nước trên hai hệ thống suối thường đục hơn, nhiều cát trôi, nhiều lũ cuốn làm hại hoa màu, đời sống và cảnh quan.