Khí hậu trạm Bãi Cháy tiêu biểu cho khí hậu các tỉnh miền Bắc Việt Nam. Một năm có bốn mùa xuân, hạ, thu, đông. Đây là vùng nhiệt đới - gió mùa. Mùa hạ nóng, ẩm, mưa nhiều, gió thịnh hành là gió đông nam. Mùa đông lạnh, khô hanh, ít mưa, gió là gió đông bắc.

Nằm trong vùng nhiệt đới, Quảng Ninh có lượng bức xạ trung bình hàng năm 115,4 kcal/ cm2. Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm trên 210C. Độ ẩm không khí trung bình năm là 84%. Từ đó lượng mưa hàng năm lên tới 1.700 - 2.400 mm, số ngày mưa hàng năm từ 90-170 ngày. Mưa tập trung nhiều vào mùa hạ (hơn 85%) nhất là các tháng 7 và 8. Mùa đông chỉ mưa khoảng 150 đến 400 mm.

So với các tỉnh Bắc Bộ, trạm Bãi Cháy chịu ảnh hưởng gió mùa đông bắc mạnh hơn. Đây là nơi "đầu sóng ngọn gió". Gió thổi mạnh và so với các nơi cùng vĩ độ thường lạnh hơn từ 1 đến 30C.

Trong những ngày gió mùa đông bắc, ở vùng núi cao Bình Liêu, Hải Hà, Đầm Hà nhiệt độ có khi xuống dưới 00C. Trạm Bãi Cháy cũng chịu ảnh hưởng lớn của bão tố. Bão thường đến sớm (các tháng 6, 7, 8) và có cường độ khá mạnh, nhất là ở vùng đảo và ven biển.

Tuy nhiên do diện tích lớn lại nhiều vùng địa hình nên khí hậu giữa các vùng lại khác nhau. Huyện địa đầu Móng Cái lạnh hơn lại mưa nhiều: nhiệt độ trung bình năm là 22oC, lượng mưa trung bình năm tới 2.751 mm. Huyện Yên Hưng ở tận cùng phía nam, nhiệt độ trung bình năm là 240C, lượng mưa trung bình năm là 1.700 mm. Vùng núi cao của Hoành Bồ, Ba Chẽ khí hậu khá khắc nghiệt, mỗi năm thường có 20 ngày sương muối và lượng mưa hàng năm thấp. Cũng là miền núi nhưng Bình Liêu lại có mưa lớn (2.400 mm), mùa đông kéo dài tới 6 tháng. Vùng hải đảo lại không phải là nơi mưa nhiều nhất, chỉ từ 1.700 đến 1.800 mm/ năm, nhưng lại là nơi rất nhiều sương mù về mùa đông.