Khí hậu của lưu vực sông Cầu mang đặc điểm cơ bản của khí hậu nhiệt đới gió mùa của khí hậu miền Bắc Việt Nam, được coi là đặc tính chủ đạo quy định về cơ bản hướng phát triển của hệ sinh thái lưu vực. Mặt khác, mùa đông lạnh là một dị thường đã phá vỡ tính điển hình của khí hậu nhiệt đới đưa đến những hạn chế trong phát triển của hệ sinh thái nhiệt đới thuần chủng. Tuy nhiên, ở mặt khác nó lại góp phần tạo ra tính đa dạng của khí hậu và là tiền đề cho sự phát triển một hệ sinh thái phong phú mà những vùng nhiệt đới hay ôn đới điển hình thường không có được.  

Nhiệt độ trung bình của không khí hàng năm dao động từ 18 - 23⁰C, nơi có nhiệt độ thấp là vùng Tam Đảo và Chợ Đồn từ 18 - 20⁰C, nơi có nhiệt độ cao là vùng hạ du Vĩnh Yên, Bắc Giang, Hiệp Hoà, Tân Yên… từ 23 - 24⁰C.  

Độ ẩm không khí trung bình nhiều năm ở các vùng trên lưu vưc̣ dao động từ 81-87%, ở các vùng núi còn nhiều cây rừng, có mưa nhiều thì độ ẩm cao hơn. Nơi có đô ẩm cao nhất là vùng núi Tam Đảo 87%.  

Mưa:  trên lưu vực Sông Cầu, lượng mưa trung bình hàng năm không lớn lắm, dao động từ 1.500- 2.000mm. Lươṇg mưa trong lưu vực phân bố không đều và chia thành hai mùa rõ rệt:

- Mùa mưa từ tháng V đến tháng IX, chiếm tới 75-80% tổng lươṇg mưa cả năm, tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng VII và tháng VIII trên 300 mm/ tháng. 

- Mùa khô từ tháng X đến tháng IV năm sau, lượng mưa chiếm từ 20-25% tổng lượng mưa cả năm. Tháng mưa ít nhất là tháng XII và tháng I. Trung tâm mưa lớn nhất là vùng Tam Đảo khoảng 2.500 mm /năm.

Biểu đồ nhiệt độ - lượng mưa tại trạm TP. Thái Nguyên