Khí hậu trên toàn thị xã Sa Pa mang sắc thái của xứ ôn đới với nhiệt độ trung bình 15-18 °C.

Tuy nằm ở miền Bắc Việt Nam, lẽ ra phải mang khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, nhưng do nằm ở địa hình cao và gần chí tuyến nên Sa Pa có khí hậu cận nhiệt đới ẩm, ôn đới, không khí mát mẻ quanh năm. Vào mùa hè, thời tiết ở thị xã một ngày như là có đủ bốn mùa: buổi sáng là tiết trời mùa xuân, buổi trưa tiết trời như vào hạ, có nắng, không khí dịu mát, buổi chiều mây và sương rơi xuống tạo cảm giác lành lạnh như trời thu và ban đêm là cái rét của mùa đông. Nhiệt độ không khí trung bình năm của Sa Pa là 15 °C. Mùa hè, thị xã không phải chịu cái nắng gay gắt như vùng đồng bằng ven biển, khoảng 13 °C – 15 °C vào ban đêm và 20 °C – 25 °C vào ban ngày. Mùa đông thường có mây mù bao phủ và lạnh, nhiệt độ có lúc xuống dưới 0 °C và có tuyết rơi. Lượng mưa trung bình hàng năm ở đây khoảng từ 1.800 đến 2.200 mm, tập trung nhiều nhất vào khoảng thời gian từ tháng 5 tới tháng 8.