黑河地处欧亚大陆腹地，远离海洋，属极强大陆性气候。夏季受东南太平洋暖湿气流影响，西南气流可把印度洋和孟加拉湾等南亚洋面的水汽带入区内的东部，而西面大西洋和北面北冰洋的气流对此区影响较弱。冬季在蒙古、西伯利亚高压控制之下，气候寒冷、干燥。

流域气候特点具有明显水平分带差异，祁连山地属青藏高原气候区祁连山—青海湖气候亚区。主要受青藏高原气候的影响，基本为高寒半干旱气候。祁连山区的主要降水来源是西南季风，降水相对较多，为250～500mm，蒸发量700～800mm（E601蒸发皿，下同），是流域的产流区，气温较低，最低可达-28℃，日照时数2200～3000h，无霜期100～125d。祁连山区由于有高山深谷，地势反差很大，山地气候具有垂直分带性。

走廊平原属温带，按区内干燥程度的差异，中游河西走廊属温带干旱亚区，光热资源丰富，年温差较大，年日照时数长达3000～4000h，年均温度6～8℃，无霜期150～170d，年降水量110～370mm，蒸发量1200～2200mm，相对湿度52%。此区气候条件有利于植物进行光合作用，只要水分条件充分，发展农业、林业和牧草业具有得天独厚的条件，自古以来就是重要的灌溉农业区。(www.daowen.com)

黑河下游阿拉善高平原属荒漠干旱区和极端干旱亚区，降水量极少（40～54mm）、蒸发极强（2200～2400mm），光热资源丰富，年日照时数3446h，干旱指数高达47.5，无霜期120～140d。植被以荒漠草场为主，自古以来就是传统的牧业区。