Умеренно-континентальный, с теплым летом и умеренно-холодной зимой.

Характерно наличие «очагов тепла» и «очагов холода» в разных частях города. Теплее на возвышенных участках Вахитовского и Московского районов, холоднее в пониженных частях города: в долине реки Казанка, на первой надпойменной террасе реки Волга и вблизи озер Кабан. Перепады температур в ранние утренние часы при ясной тихой погоде зимой могут достигать 5 °С.

Среднегодовая температура воздуха 4,4 °С. Абсолютная максимум 39,5 °С (1 августа 2010 года), абсолютная минимум -46,8 °С (21 января 1942 года). Среднемесячная максимальная температура 20,2 °С (июль), минимальная температура -12,2 °С (январь). Под влиянием процессов глобального потепления и региональных изменений городской среды за период 1941–2003 годов среднегодовая температура воздуха выросла на 1,8 °С (с 3,4 до 5,2 °С), средне-январьская – 4,3 °С (с -13,8 до -9,5 °С), средне-июльская – 1,9 °С (с 19,1 до 21 °С). Продолжительность теплого периода – 219, холодного – 146 дней. В среднем за год выпадает 554 мм осадков (минимум 305 мм в 1920 году, максимум 829 мм в 1978 году), за теплый период – 384 мм. Средняя дата появления снежного покрова – 27 октября, схода – 13 апреля. Высота снежного покрова достигает максимума в первой или второй декаде марта и составляет в среднем 40 см (минимум 10 см, максимум 116 см).

Относительная влажность воздуха изменяется от 61% в мае до 86% в ноябре. Сухих дней в году – 23 (относительная влажность воздуха менее 30%), влажных – 116 (влажность более 80%). Относительная влажность воздуха в начале весны в ясные дни в «очагах тепла» может быть на 25–30% ниже, чем в «очагах холода».

Число ясных дней в году 36, пасмурных – 149. Среднегодовое число дней с туманами 22, в отдельные годы до 38 дней. Среднегодовая скорость ветра 3,9 м/с (максимальная в порывах до 40 м/с). Преобладают ветра южного (21%), западного (15%) и юго-восточного (13%) направлений. Штили чаще бывают летом (в июле – 24, ноябре – 11, в среднем за год – 18% от общего числа наблюдений). Среднегодовая температура поверхности почвы 4 °С, среднемесячная максимальная температура 23 °С (абсолютная максимум 60 °С, 1972), минимальная температура -14 °С (абсолютная минимум -46 °С, 1979); средняя глубина промерзания 111 см (38–154 см).