三原县属北温带大陆性季风气候。冬季受西伯利亚冷气团和极地变性大陆气团的影响,寒冷干燥,气温低,降水少。春季,热带暖湿气团逐渐增强北进,气温回升快,降水增多。但由于蒸发量大,易成春旱。同时冷空气活动亦较频繁,故多有寒流和大风等灾害性天气。夏季受太平洋副热带海洋气团影响,炎热多雨,常有雷暴和冰雹出现,夏旱也常发生。秋季冷暖气团交替影响,初秋多处于副高边缘,常有连阴雨。10月份,因受极地高压控制,气温迅速降低,降水显著减少,多秋高气爽的晴朗天气。
境内南北地貌不同,因而气候南北差异较大。南部平原为温暖半湿润区,农作物一年两熟。黄土台原南部为温暖半干旱区,农作物一年两熟。北部为温和半湿润区,农作物两年三熟。西北山原为温凉半湿润区,热资源差,因受地形影响,年降水量为全县最多,农作物一年一熟。
对农业生产影响较大的灾害性天气主要有干旱、连阴雨、大风、干热风、暴雨、冰雹和霜冻。