Về địa hình địa mạo khu vực có liên quan nhiều đến địa hình địa mạo Tây Bắc nhưng khí hậu lại mang nhiều nét của vùng khí hậu miền núi phía Tây tỉnh Thanh Hóa. Đó là khí hậu nhiệt đới gió mùa, có mùa đông lạnh gần giống với vùng đồng bằng sông Hồng.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ không khí trung bình năm 23 - 240C, nhiệt độ trung bình tháng 1 là 15,5 - 16,50C, nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối xuống đến 20C. Nhiệt độ trung bình tháng 7 là 27 - 280C, nhiệt độ cao nhất tuyệt đối chưa quá 400
C.
- Độ ẩm: Độ ẩm không khí trung bình năm 85 - 86%, tháng có độ ẩm cao nhất
là tháng 04 khoảng 91%, tháng thấp nhất là tháng 11 và 12 từ 80-83%. Mùa đông có sương muối từ 5 - 7 ngày.
- Lượng mưa: Lượng mưa trong năm là 2000 - 2200 mm, phân bố mưa trong năm không đều, mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm từ 60- 80% tổng lượng mưa cả năm. Các tháng có lượng mưa lớn nhất từ tháng 7 đến tháng 9 thường gây lũ lụt cục bộ. Các tháng có lượng mưa thấp nhất từ tháng 12 cho tới tháng 2 năm sau, thường gây hạn hán.
- Lượng bốc hơi: Tổng lượng bốc hơi 761- 895mm/năm, tháng 7 có lượng bốc hơi lớn nhất đạt 131mm; tháng 2 và 3 có lượng bốc hơi thấp nhất 40 - 43mm.
- Nắng: Do sự ảnh hưởng của địa hình nên số ngày nắng trong khu vực có
sự thay đổi theo vùng. Số ngày nắng ở vùng thấp từ 235 - 245 ngày, vùng cao từ 215 - 216 ngày.
- Gió: Có 2 hướng gió chính là gió mùa Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 04 năm sau và gió mùa Đông Nam từ tháng 04 đến tháng 09. Ngoài ra, còn có gió Tây khô nóng xen kẽ với gió mùa Đông Nam. Gió Tây khô nóng thường xuất hiện vào tháng 5,6,7,8 tập trung vào các thung lũng và vùng thấp.
25
Gió thịnh hành là gió Đông Nam có tốc độ trung bình 1,8 m/s. Song có gió khô nóng vào đầu mùa hạ (từ 20-30 ngày , gió cực đại đạt tới 39 m/s gây bão (tập trung vào tháng 9 .
- Thủy văn: Khu BTTN Xuân liên là vùng đầu nguồn của Sông Khao, một
phần Sông Đặt và Sông Chu; là vùng đầu nguồn cung cấp nước sạch, nước tưới cho vùng hạ lưu của tỉnh Thanh Hoá và thành phố Thanh Hoá. Trong lòng Khu bảo tồn có Hồ chứa nước Cửa Đạt với diện tích ngập nước theo thiết kế 2.828,60 ha, là một trong những Hồ nước lớn ở Việt Nam. Bên cạnh giá trị nguồn tài nguyên rừng, tài nguyên mặt nước ở đây cũng là một loại tài nguyên du lịch vô cùng quý giá, có sức hấp dẫn du lịch rất lớn.