裡海北部位於溫帶大陸性氣候帶，而整個裡海中部(及南部大部海區)則位於溫熱帶。西南部受副熱帶氣候影響，東海岸以沙漠氣候為主，從而造成多變的氣候。大氣環流冬季以寒冷、明淨的亞洲反氣旋為主，而在夏季亞速群島高壓分支和南亞低壓中心發生影響。狂烈的風暴與北風和東南風有關。 海區縱跨幾個不同的氣候區。北里海雖屬大陸性氣候，但變化不劇烈；中裡海西部氣候溫和，而東部則為乾燥的沙漠氣候；南里海屬夏季乾燥的亞熱帶氣候。冬季裡海的天氣不穩定，氣溫變化較大。平均氣溫，北部為-8～-10°C，南部為8～10°C。風向多變，而以東和東北風佔優勢。風力為5.5～10.7米/秒，中部有時可達20.8～28.4米/秒。夏季,海上受高壓控制，常有微弱海風向陸吹，天氣十分穩定。氣溫變化不大，最熱月平均溫度為28～29°C，極端最高氣溫可達44°C。平均年降水量為200～1700毫米，分佈不均,東海岸少，西南海岸多。年蒸發量一般為1000毫米，南里海的東部和阿普舍倫半島達1400毫米。 夏季氣溫分佈相當均衡－－7～8月間平均氣溫為24～26℃(75～79 ℉)，在太陽炙烤的東海岸絕對最高溫度為44℃(111 ℉)－－但冬季氣溫北部為-10℃(14 ℉)，南部為10℃(50 ℉)。海上年平均降雨量在200～1,700公釐(8～67寸)之間，東部降雨量最小，西南部降雨量最大。大多降於冬季和春季。海面蒸發量很高，達一年1,000公釐(40寸)。結冰影響裡海北部，通常至1月份完全封凍，在很冷的年代，沿西海岸漂浮的冰可南達阿普歇倫半島地區。