Sơn La có khí hậu cận nhiệt đới ẩm vùng núi, mùa đông phi nhiệt đới lạnh khô, mùa hè nóng ẩm, mưa nhiều. Do địa hình bị chia cắt sâu và mạnh nên hình thành nhiều tiểu vùng khí hậu, cho phép phát triển một nền sản xuất nông - lâm nghiệp phong phú. Vùng cao nguyên Mộc Châu phù hợp với cây trồng và vật nuôi vùng ôn đới. Vùng dọc sông Đà phù hợp với cây rừng nhiệt đới xanh quanh năm.

Thống kê nhiệt độ trung bình năm của Sơn La có xu hướng tăng trong 20 năm lại đây với mức tăng 0,5 °C - 0,6 °C, nhiệt độ trung bình năm của Thành phố Sơn La hiện ở mức 21,1 °C, Yên Châu 23 °C; lượng mưa trung bình năm có xu hướng giảm (thành phố hiện ở mức 1.402 mm, Mộc Châu 1.563 mm); độ ẩm không khí trung bình năm cũng giảm. Tình trạng khô hạn vào mùa đông, gió tây khô nóng vào những tháng cuối mùa khô đầu mùa mưa (tháng 3-4) là yếu tố gây ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp của tỉnh. Sương muối, mưa đá, lũ quét là yếu tố bất lợi.