Park leży w strefie klimatu umiarkowanego i podlega przejściowym wpływom morskim i kontynentalnym. Położenie w dolinie rzecznej oraz pokrycie terenu lasami, łąkami i bagnami powoduje, że klimat tutejszy charakteryzuje się odrębnością w stosunku do obszarów sąsiednich. Na teren doliny spływają chłodne masy powietrza i utrzymują się dłużej niż w okolicy. Sąsiedztwo dużego zbiornika wodnego, jakim jest Wisła, zabudowy Warszawy oraz kontrasty w ukształtowaniu i pokryciu terenu puszczy powodują zróżnicowanie klimatu wewnątrz parku.

Średnia roczna temperatura powietrza wynosi 7,7ºC. Najcieplejszym miesiącem w roku jest z reguły lipiec ze średnią miesięczną 18,6ºC, najzimniejszym na ogół jest styczeń, ze średnią -3,1ºC. Przeciętnie w roku występuje 36 dni mroźnych, w których przez cały dzień temperatura jest poniżej 0ºC i 45 dni gorących, takich w których w ciągu dnia temperatura przekracza 25ºC. Okres wegetacyjny, czyli okres roku w czasie, którego średnia temperatura dobowa jest wyższa od 5ºC, trwa około 185 dni i jest o 5-10 dni krótszy niż na Równinie Łowicko-Błońskiej, a o 20 dni krótszy niż w Warszawie.

Średnia roczna suma opadów wynosi 547 mm, przy czym obserwuje się niższe opady w zachodniej części Puszczy, a wyższe – w centralnej i wschodniej. Różnice pomiędzy punktami o najmniejszym i największym rocznym opadzie przekraczają 100 mm. W ciągu roku występuje średnio 125 dni z opadem. Najwyższe opady notuje się w lipcu (77 mm) a najniższe w lutym (32mm). Liczba dni z pokrywą śnieżną jest bardzo zróżnicowana i wynosi od kilkunastu dni do ponad 100.

Na terenie parku przeważają wiatry zachodnie, około 25% wszystkich obserwacji. Dzięki temu rozległe lasy Puszczy Kampinoskiej pozytywnie wpływają na klimat Warszawy dostarczając do niej chłodnego, wilgotnego i bogatego w tlen powietrza, usprawniając przewietrzanie miasta.