Khí hậu:
Khí hậu Mộc Châu chia thành hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 4 đến tháng 9, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau. Tuy nhiên do nằm ở vùng cao nguyên có độ cao lớn, lại có địa hình cánh cung mở đón hướng gió, nên vùng núi Mộc Châu là nơi tiếp nhận sớm và chịu ảnh hưởng sâu sắc của gió mùa đông bắc, gió thổi từ Lào sang, nên ở đây có yếu tố khí hậu á nhiệt đới mà rõ rệt nhất là các xã dọc quốc lộ 6 và lân cận. Khí hậu ở đây rất mát mẻ, nhiệt độ trung bình từ 18oC đến 23oC, nhiệt độ chênh lệch giữa ngày và đêm 8oC; độ ẩm trung bình 85% và là nơi có lượng bốc hơi thấp nhất tỉnh, trung bình 572 mm/năm. Mộc Châu là huyện có lượng mưa khá dồi dào, số ngày mưa trung bình 186 ngày/năm, lượng mưa trung bình năm từ 1.400 – 1.500 mm và là huyện có số ngày mưa phùn cao nhất tỉnh, trung bình 50 ngày một năm. Đây còn là vùng chịu ảnh hưởng của một số cơn bão và gió mùa đông bắc nên mùa khô khá lạnh và thường xuyên bị sương muối, số ngày có sương muối trung bình là 5 ngày/năm. Đặc biệt [180], Mộc Châu là huyện có số ngày sương mù cao nhất tỉnh, trung bình trên 80 ngày/năm.
Thủy văn:
Với kiến tạo địa chất trên, Mộc Châu còn là nơi gặp gỡ của nhiều sông suối. Trong đó, sông Đà là con sông lớn nằm ở phía bắc của huyện, chảy qua xã Tân Hợp đến xã Quy Hướng. Suối Sặp chảy qua huyện Mộc Châu dài 85 km. cùng với suối Quanh, suối Đôn, suối Giăng… tổng chiều dài tới 247 km, giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển của miền đất này.
Hiện tại, sông Đà thuộc hệ thống sông lớn nhất ở khu vực Tây Bắc nước ta, đặc điểm nổi bật là độ dốc dòng sông lớn, dòng chảy mạnh, nhất là vào mùa lũ, nên có tiềm năng để xây dựng thủy điện. Năm 1994, công trình thủy điện Hòa Bình hoàn thành, năm 2014 công trình thủy điện Sơn La hoàn thành là nơi cung cấp nguồn điện năng lớn nhất cho cả nước, đồng thời tạo thành vùng lòng hồ sông Đà rộng lớn. Các dòng sông, suối và hồ nước đó không những có vai trò điều tiết nước
cho sinh hoạt và sản xuất của nhân dân mà còn có tác dụng điều hòa khí hậu địa phương [180], cung cấp thủy sản và thuận tiện giao thông đường thủy.