Khí hậu Than Uyên mang nhiều tính chất của khí hậu nhiệt đới gió mùa, một năm có hai mùa rõ rệt: Mùa khô và mùa mưa. Mùa khô kéo dài từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, độ ẩm thấp, ít mưa.
- Về lượng mưa: Mùa mưa kéo dài từ tháng 4 đến tháng 9, lượng mưa bình quân 2.152mm/năm, phân bố không đồng đều theo mùa, tập trung chủ yếu vào mùa mưa (chiếm khoảng 80%). Trong các tháng 2, 3 và 4 thường có sương muối. - Về nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình tháng trong năm từ 22 độ C đến 23 độ C. Tổng tích ôn trong năm đạt từ 9.000 đến 10.000 độ C. - Về độ ẩm: Độ ẩm trung bình các tháng trong năm không quá 80%. Độ ẩm tăng dần trong mùa mưa và giảm dần trong mùa khô. - Chế độ gió: Có 2 hướng gió chính là Đông Đông Nam (lạnh và hanh khô), gió Tây Tây Bắc (khô và nóng). Đặc điểm khí hậu của huyện tạo lợi thế cho huyện trong phát triển một số cây công nghiệp có giá trị kinh tế (cao su, quế, chè) và cây ăn quả nhiệt đới.