Xuân Trường mang đầy đủ những đặc điểm của tiểu khí hậu vùng đồng bằng sông Hồng, là khu vực nhiệt đới, gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều, có 4 mùa rõ rệt (xuân, hạ, thu, đông).
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình hàng năm từ 23-24°C, số tháng có nhiệt độ trung bình lớn hơn 20°C từ 8-9 tháng, Mùa đông, nhiệt độ trung bình là 18,9°C, tháng lạnh nhất là tháng 1 và tháng 2. Mùa hạ, nhiệt độ trung bình là 27°C, tháng nóng nhất là tháng 7 và tháng 8.
- Độ ẩm: Độ ẩm không khí tương đối cao, trung bình năm từ 80-85%, giữa tháng có độ ẩm lớn nhất và nhỏ nhất không chênh lệch nhiều, tháng có độ ẩm cao nhất là 90% (tháng 3), thấp nhất là 81% (tháng 11).
- Chế độ mưa: Lượng mưa trung bình trong năm từ 1.700-1.800 mm, phân bố tương đối đồng đều trên toàn huyện. Lượng mưa phân bố không đều trong năm, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, lượng mưa chiếm gần 80% lượng mưa cả năm, các tháng mưa nhiều là tháng 7,8,9. Do lượng mưa nhiều, tập trung nên gây ngập úng, làm thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp, nhất là khi mưa lớn kết hợp với triều cường, nước sông lên cao. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa chiếm 20% lượng mưa cả năm. Các tháng ít mưa nhất là tháng 12, tháng 1, tháng 2, có tháng hầu như không có mưa. Tuy nhiên, có những năm mưa muộn ảnh hưởng đến việc gieo trồng cây vụ đông và mưa sớm ảnh hưởng đến thu hoạch vụ chiêm xuân.
- Nắng: Hàng năm trung bình có tới 250 ngày nắng, tổng số giờ nắng từ 1.650-1.700 giờ. Vụ hè thu có số giờ nắng cao khoảng 1.100-1.200 giờ, chiếm 70% số giờ nắng trong năm.
- Gió: Hướng gió thịnh hành thay đổi theo mùa, tốc độ trung bình cả năm là 2-2,3 m/s. Mùa đông hướng gió thịnh hành là gió Đông Bắc với tần suất 60-70%, tốc độ gió trung bình 2,4-2,6 m/s, những tháng cuối mùa đông, gió có xu hướng chuyển dần về phía đông. Mùa hè hướng gió thịnh hành là
gió Đông Nam, với tần suất 50-70%, tốc độ gió trung bình 1,9-2,2 m/s, tốc độ gió cực đại (khi có bão) là 40 m/s, đầu mùa hạ thường xuất hiện các đợt gió tây khô nóng gây tác động xấu đến cây trồng.
- Bão: Do nằm trong vùng vịnh Bắc Bộ, nên hàng năm thường chịu ảnh hưởng của bão hoặc áp thấp nhiệt đới, bình quân từ 4-6 trận/năm.
Nhìn chung khí hậu Xuân Trường rất thuận lợi cho môi trường sống của con người, sự phát triển của hệ sinh thái động, thực vật và các hoạt động du lịch.