天祝县气候属大陆性高原季风气候。主要表现在气温年较差小，日较差大，西南部的大通河谷地年较差为25.3℃，中部的乌鞘岭为23.5℃，北部的皇娘娘台为24.6℃；乌鞘岭平均日较差为10.5℃，松山为12.4℃。降水集中在下半年，以乌鞘岭为例，7、8月份的降水占全年降水量的37%。降水的年际变化大，乌鞘岭降水最多的年份可达555.2毫米，最少的年份只有231.3毫米。
乌鞘岭南北气候各异，过渡明显，使这一带成为高原季风气候与半干旱气候的过渡带。岭南为大陆性季风气候，冬季盛行偏北风，寒冷干燥，夏季盛行东南风，较温和湿润；岭北为温带大陆性半干旱气候，偏北风为主，气温变化大，日照强烈，夏季温凉干旱，冬季寒冷干燥，多风沙。
天祝县以大陆性高原气候为主，尚有冷温半干旱、凉冷半干旱、寒冷半干旱、高寒半湿润、高寒湿润等气候类型，表现了气候类型的复杂多样性。四季的气候特征是春季天气多变，多寒潮大风；夏季气候凉爽、降水增多，年际变化大，多冰雹，常发生伏旱；秋季，前秋潮湿多雨，后秋降温迅速，降水锐减；冬季干燥寒冷多晴天。
县境内全年太阳总辐射每平方厘米130千卡左右，最大值出现在5月，为每平方厘米14.3～14.9千卡；最小值出现在12月，每平方厘米为8.1～8.2千卡，全年实日照时数可达4434小时。作物生长季节（5～8月）日照时数在1750小时左右，日平均日照时数14小时上下，年实照率为58～60%。光能利用率只有0.1～0.5%，最高可达6%。
由于地形的原因，天祝县各地的气温差异很大。海拔递减率为每降低100米，温度升高0.5℃。气温的年变化具有明显的大陆性气候特点。1月最冷，乌鞘岭为-12.2℃，天堂寺为-9.8℃；7月最热，乌鞘岭为11.3℃，天堂寺为15.5℃。气温年际变化比较明显，以乌鞘岭30年记录看，年平均气温最高值是1953年，为0.8℃，最低值是1967年，为-11℃，最大差值为1.9℃。
天祝的实际气候特征，四季不甚分明。绝大部分地方冬长无夏，春、秋短暂。乌鞘岭山区的冬季长达312天，春、秋连在一起仅有53天。松山浅山区冬季长达279天，春、夏连在一起仅有86天。全县除大通河沿岸一带有十多天夏季外，其余各地均无夏季。
天祝年降水量大体上呈由西北向东南逐渐减少。西北部的哈溪一带年降水量500～600毫米，是全县的多雨区。皇娘娘台一带是最大的降水中心，为632.3毫米；大红沟、寨子滩以北降水较少，不足400毫米；中部乌鞘岭山区和东北部朵什、西大滩为400毫米左右；毛毛山北坡林区则为500毫米；西南部的赛什斯、朱岔为400～500毫米；东坪一带则降至约300毫米；东南部的松山是全县的少雨区，松山城周围降水只有265.5毫米。
降水量的季节分配多寡悬殊。夏季降水多，占全年降水量的50～60%；冬季降水少，仅占1～2%；春季降水稍多，占17～25%；前秋多雨，晚秋稀少，占21～27%。8月为降水高峰期，月降水量占全年降水总量的20%；12月降水量少，大部分地方不足3毫米。
天祝县系雷雨和冰雹多发地区。强烈的雷雨天气又往往造成强度很大的降水。降雹季节一般在4～10月，集中于6～8月，约占全年雹日的70%。乌鞘岭最早降雹为4月7日，最晚为10月13日，降雹以7、8两月最多，月平均降雹日为2.5天。松山最早降雹为4月3日，最晚为10月15日，以6、7两月为最多，月平均降雹日为1.5～1.8天。
