KBTTN Pù Luông có khí hậu nhiệt đới gió mùa, và có gió mùa Đông Bắc từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau, gió mùa Đông Nam từ tháng 3 đến tháng 10. Gió Lào khô nóng thổi từ hướng Tây xuất hiện vào giữa tháng 4 và tháng 5 (Anon, 1998a).
Nhiệt độ trung bình hàng năm biến động trong khoảng từ 20-250C. Nhiệt độ tối đa đạt xấp xỉ 370C đến 390C, trong khi nhiệt độ tối thiểu trong khoảng từ 5-100C. Nhiệt độ trên các vùng cao như khu vực Sơn- Bá- Mười có thể xuống tới điểm đóng băng. Lượng mưa trung bình hàng năm tương đối thấp, từ 1.500-1.600 mm. Lượng mưa tối đa ước đạt 2.540 mm, tập trung từ tháng 7 đến tháng 9 (chiếm 65-70%). Mưa phùn tập trung vào mùa Xuân (từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau). Lượng mưa tối thiểu khoảng 1.000 mm (Anon, 1998a).
Chế độ thủy văn ở dãy núi đá vôi tương đối phức tạp, ở đây có rất ít hay gần như không có mặt nước thường xuyên. Dãy núi phía Tây Nam, các mạch nước nổi phổ biến hơn và các khe suối có mực nước ít thay đổi theo mùa hơn. Tuy nhiên, đặc trưng chính của hệ thống thuỷ văn trong khu vực nằm ở vùng thung lũng. Thung lũng này không liên tục nhưng vùng yên ngựa ở điểm giữa của thung lũng lại là nơi xuất phát của hai sông nhỏ, một chảy về hướng Tây Bắc dọc theo thung lũng rồi đổ vào sông Mã ở khu vực xã Phú Lệ, con sông còn lại cũng chạy dọc theo thung lũng nhưng theo hướng Đông Nam và đổ vào sông Mã ở vùng hạ lưu.