流域地处北温带季风气候区，大陆性气候特点非常明显，冬季寒冷漫长，夏季炎热多雨，春季干燥多风，秋季很短，年内温差较大，多年平均气温在5～3℃之间，年内7月温度最高，日平均可达20～25℃，最高曾达40℃以上；1月温度最低，月平均气温-20℃以下，最低气温嫩江扎兰屯附近曾达-42.6℃。多年平均降水量一般在500mm左右，东南部山区降水可达700～900mm，而干旱的流域西部地区只有400mm，总的趋势是山丘区大，平原区小；南部、中部稍大，东部次之，西部、北部最小。汛期6～9月份的降水量占全年的60%～80%，冬季12～2月的降水量仅为全年的5%左右。