吐鲁番属独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候。因地处盆地之中，四周高山环抱，增热迅速、散热慢，形成了日照长、气温高、昼夜温差大、降水少、风力强五大特点，素有“火州”、“风库”之称。
吐鲁番盆地特殊的地理位置及盆地内地形、地势特点形成了其气候与邻接地区迥然相异的气候特征，且盆地内火焰山、盐山横贯中央，分隔成山南、山北两部分，山南、山北的气候也不能完全相提并论。吐鲁番盆地属于独特的暖温带干旱荒漠气候。主要特点是：干燥、高温、多风。盆地内，年日照时数长；蒸发量大；降水量少但局地性强。火焰山以南夏季漫长而酷热，冬少严寒，风小雪少。春季升温迅速而不稳定，干燥少雨，风多力强。秋季秋高气爽，降温迅速，温差大。与山南相比火焰山以北四季分明，冬多严寒，夏少酷热，降水量偏多。春、秋两季较山南长半个月。
1、气温情况
吐鲁番地区年平均气温山南、山北的气候分区较明显，差别近2℃。盆地中低于海平面、高于海平面、戈壁、沙漠、山区的年平均气温也有差异。全年气温以1月最冷，7月最热，气温年较差40-47.5℃。春秋两季气温变化剧烈，尤其是春季，月升温速度平均10℃左右。
冬季（12月-2月）气候特点：干冷、寒冷期短，风小雪少，无稳定积雪，多晴朗天气。平均入冬期：吐鲁番和托克逊为11月23日，鄯善为11月16日。冬季最低气温吐、鄯、托分别为-25.2℃、-26.3℃、-24.6℃，均出现在七十年代中后期。冬季最大冻土深度：吐鲁番83厘米，鄯善117厘米，托克逊86厘米。春季（3月-5月）气候特点：升温迅速而不稳定，干燥少雨，春旱严重，风多力强，开春期早。平均开春期（候平均气温稳定通过0℃）：吐鲁番2月19日、鄯善2月28日、托克逊2月21日。
夏季（6月-8月）气候特点：入夏期早，光照充足、炎热期长、高温酷热、多干热风天气，降水量少但局地性强，常引发局地洪水。两县一市的平均入夏期：吐鲁番4月27日、鄯善5月12日、托克逊5月2日。平均炎热日数（最高气温≥35℃日数）吐、鄯、托分别为98天、71天、92天；酷热日数（最高气温≥40℃日数）分别为34天、13天、29天。吐、鄯、托最高气温分别为47.7℃、46.5℃、48.0℃。
秋季（9月-11月）气候特点：秋高气爽、天气晴朗，降温迅速、昼夜温差大，大风天气少，日照充足，降雨稀少。平均初霜期：吐鲁番11月4日、鄯善10月21日、托克逊10月29日。
2、降水量概况
吐鲁番是我国降水最少最干旱的地方，也是世界上干旱少雨区之一。年平均降水量16.4毫米，且分布不均，季节差异大，持续性降水少、多属于间歇性。山区多于盆地，山北多于山南，由北向南逐渐减少，且愈南愈少；无降水日数较长。同时年降水量的年际变化较大；山北最多的年份可达76.8毫米（鄯善1998年），最少的年份仅有12.6毫米（鄯善1985年）；山南降水最多的年份可达33.4毫米（吐鲁番1998年），最少的年份仅有4.3毫米（吐鲁番1976年）。全年降水量以夏季最多，春季次之。
3、日照和蒸发
吐鲁番太阳辐射强,日照时间长,光能丰富,年平均总辐射量5938.3兆焦耳/平方米，最多年6397.0兆焦耳/平方米，最少年5648.2兆焦耳/平方米，年中最大值出现在7月，为680.3-800.2兆焦耳/平方米，春季大于秋季。全年总日照时数平均为3056.4小时，年总日照时数最多达3349.6小时，最少2829.7小时，年日照百分率69%。
吐鲁番气候干燥，蒸发能力强，平均蒸发量为2837.8毫米；蒸发量的变化特点为：由北向南逐渐增大，且全年以春末和夏季蒸发量最为旺盛，4-8月蒸发量占全年的75%以上。
4、风资源
风也是吐鲁番重要的自然特征之一，一年中大风发生的时间在3--10月，其中以3-6月最为强烈，特别是5月最多，风向主要是西北风。吐鲁番地势高低悬殊，受热面积大，温度振幅大，从而导致了多风天气的产生。大风主要受地方性和大天气系统的影响，前者风力一般在10级以下，持续时间较短，危害较轻；后者来势凶猛，维持时间长，风力在10级以上，危害严重。吐鲁番风能资源丰富，托克逊气象站统计出现阵风6级以上大风（风速≥17.0米/秒）日数，年平均80.3天，最多年1985年为127天，最小年1997年35天。特别是吐鲁番的风口，风能资源更加丰富，如达板城至托克逊长约一百公里，宽十多公里的白杨河谷，狭管效应显著，加之盆地内外强大的气压梯度，素有"风库" 之称。因此，吐鲁番拥有着取之不尽、用之不竭、成本低、无污染的风能资源，具有实际开发应用潜力。
火焰山以北：年降水量大于25毫米以上，年平均气温低于中部近1℃。火焰山以南：年降水量小于10毫米以下，年平均气温略高于中部。
