黑龙江流域地处温带、寒温带地区。西倚东西伯利亚、蒙古大陆，东和东南濒临海洋，形成了典型的大陆性季风气候。夏季温暖多雨，冬季严寒干燥。自东往西，随着距海洋距离的增加，逐渐由东部的湿润气候过渡到中部的半湿润和西部的半干旱气候。

界河段多年平均气温呈西北低、东南高的分布趋势。最低值出现在黑龙江最上游，为-5.1℃。最高值出现在中游下段，为2℃左右。额尔古纳河气温向上游逐渐升高，满洲里多年平均气温-1.3℃，负气温导致流域北部出现岛状冻土分布。最高气温发生在7月前后，一般在37℃～40℃范围内变化，布拉戈维申斯克曾观测到41℃，最低气温发生在1月份，一般在-52℃～-40℃之间。年内最大相对湿度在寒冬季节，其值为80%左右，最小值在5月份。

界河段在额尔古纳河上游多西南风和西风，夏季则多东风和东北风。其余大部地区盛行西北风和西风。实测最大风速的风向多为西南风。多年平均风速多在每秒2米左右，额尔古纳河上游及黑龙江中游可达每秒3米～4.2米。最大风速每秒20米，极值可达每秒35米。

黑龙江河川径流补给主要以雨水为主，季节积雪融水为辅。在全部地表径流中，雨水补给约占75%～80%，融雪水补给约占15%～20%。黑龙江上游山区，融雪水补给亦占一定比重，洛古河村以上，雨水补给约占64%，融雪补给约占19%，地下水补给约占17%。

黑龙江多年平均降水自西向东和东南递增。额尔古纳河上游仅300毫米，黑龙江上游400毫米～500毫米，中游500毫米～600毫米，太平沟库区为650毫米。年内降水分布不均，夏季降水可占年降水的70%以上。最大日降水量100毫米左右，太平沟库区为150毫米以上，最大的一场降水是1981年8月20日五常县八家子乡红光村，3小时暴雨量达500毫米。冬季雪量不大，仅占年降水量的10%～20%，多年平均最大雪深，额尔古纳河上游为10厘米左右，黑龙江上游为15厘米～20厘米，中游为20厘米～25厘米。

黑龙江流域多年平均年水面蒸发量变化在500毫米～850毫米之间，随着纬度、地面高度和相对湿度的增加呈减少趋势，也随着日照时数和风速的减少而减少。

黑龙江流域多年平均年陆地蒸发量变化在250毫米～500毫米之间，其分布总趋势是：西、东、南部大，中、北部小；平原区大，山丘区小，与年降水量分布基本相应，而变化趋势相反。(www.daowen.com)

黑龙江流域多年平均年径流深大致呈东高西低的分布趋势，西部又呈现北高南低的分布趋势，显示出强烈的海洋和地形影响作用。高值区为锡霍特山脉、布列亚山、小兴安岭、长白山脉和外兴安岭，其数值达400毫米～500毫米。低值区为三江平原和结雅—布列雅平原以及远离海洋的西部地区（石勒喀河、额尔古纳河），其数值小于50毫米，甚至近于零。

黑龙江流域诸河的径流年际变化很大，黑龙江支流盘古河二十三站（流域面积3400平方千米）丰水的1958年水量为13亿立方米，枯水的1979年水量仅为2.5亿立方米。

黑龙江的洪水包括春汛和夏、秋汛洪水。春汛洪水发生在四五月，主要由融雪水径流和冰坝壅水所形成，多出现在黑龙江上、中游。

黑龙江属少沙河流。多年平均含沙量在额尔古纳河和黑龙江上游仅每立方米50克左右，黑龙江中游为每立方米75克左右，松花江口以下至哈巴罗夫斯克为每立方米100克左右。黑龙江上游断面多年平均输沙量273万吨，其中一半以上的沙量来自恰索瓦亚，可见石勒喀河是产沙中心，其多年平均含沙量接近每立方米90克。中游太平沟断面多年平均输沙量1180万吨，一半以上来自结雅河，其河口多年平均含沙量超过每立方米100克。

额尔古纳河和黑龙江上游段多年平均年侵蚀模数不及每平方千米5吨，中游在松花江口以上为每平方千米12吨左右，在松花江口以下为每平方千米15吨。