里海北部位于温带大陆性气候带,而整个里海中部(及南部大部海区)则位于温热带.西南部受副热带气候影响,东海岸以沙漠气候为主,从而造成多变的气候.大气环流冬季以寒冷、明净的亚洲反气旋为主,而在夏季亚速群岛高压分支和南亚低压中心发生影响.狂烈的风暴与北风和东南风有关.海区纵跨几个不同的气候区.北里海虽属大陆性气候,但变化不剧烈；中里海西部气候温和,而东部则为干燥的沙漠气候；南里海属夏季干燥的亚热带气候.冬季里海的天气不稳定,气温变化较大.平均气温,北部为-8～-10°C,南部为8～10°C.风向多变,而以东和东北风占优势.风力为5.10.7米/秒,中部有时可达20.28.4米/秒.夏季,海上受高压控制,常有微弱海风向陆吹,天气十分稳定.气温变化不大,最热月平均温度为28～29°C,极端最高气温可达44°C.平均年降水量为200～1700毫米,分布不均,东海岸少,西南海岸多.年蒸发量一般为1000毫米,南里海的东部和阿普舍伦半岛达1400毫米.夏季气温分布相当均衡－－7～8月间平均气温为24～26℃(75～79 ℉),在太阳炙烤的东海岸绝对最高温度为44℃(111 ℉)－－但冬季气温北部为-10℃(14 ℉),南部为10℃(50 ℉).海上年平均降雨量在200～1,700公厘(8～67寸)之间,东部降雨量最小,西南部降雨量最大.大多降于冬季和春季.海面蒸发量很高,达一年1,000公厘(40寸).结冰影响里海北部,通常至1月份完全封冻,在很冷的年代,沿西海岸漂浮的冰可南达阿普歇伦半岛地区.
水温
夏季,水面平均温度为24～26℃(75～79 ℉),南部水温稍暖.然而,冬季温差大,北部为3～7℃(37～45 ℉),南部为8～10℃(46～50 ℉).东部沿岸地区深水上涌－－盛行风活动的结果－－也可导致夏季温度明显降低.水温分布随季节和地区而不同.冬季,表层水温南北差异较大,2月北里海仅0.0.5°C,南里海可达8～10°C.夏季,温差较小,一般为24～27°C.水温的垂直分布也随季节而变化.冬季,北里海和中里海,水温几无变化,南里海在50～100米深处有温跃层.夏季,中部的30～50米深处和南部海区,上下层温差较大.