Климат на территории национального парка континентальный, характеризующейся относительно резкой изменчивостью и непостоянством погоды по отдельным годам, что особенно характерно для горной местности Урала. Важнейшими местными климатообразующими факторами являются рельеф и гидрографическая сеть. Горные хребты и их отроги, ущелья, искусственные и естественные водоемы усложняют циркуляцию атмосферы и создают большую гамму микроклиматических особенностей.

Среднегодовая температура воздуха при продвижении с восточной части территории на западную возрастает от +0,1º С до +4,5º С. Самым суровым месяцем является январь. Жесткие морозы обычно связаны с очагами высокого давления, смещающимися обычно с севера. В такие дни температура воздуха может понижаться до -45 -48º С. Самый жаркий месяц – июль. Средняя температура воздуха в июле на западной равнинной части парка +19,7º С, в горах +13,6º С. В отдельные годы в июле температура воздуха может колебаться от +3 до +41º С. Дата перехода температуры через +5° С совпадает с началом и прекращением вегетации и приходится в среднем на 19 апреля и 10 октября.

Продолжительность вегетационного периода составляет более 5-ти месяцев. Безморозный период продолжается 3–3,5 месяца, а в восточной части он снижается до 2,5 месяцев. Первые осенние заморозки начинаются на востоке с 3-ей декады августа, а на западе – с середины сентября. Весна начинается в начале апреля и характеризуется частыми заморозками. Заморозки прекращаются в июле. Продолжительность весеннего периода около 2-х месяцев.

Среднегодовое количество осадков в восточной части парка – 582 мм, в западной – 404 мм. В горной части на долю жидких осадков приходится 59 %, твердых – 29 %, смешанных – 12 %, в равнинной западной части соответственно 61, 27, 12 %. В июле-августе в среднем на западе выпадает 76 мм, а в центральной и восточной частях парка до 140 мм, что составляет до 25 % годовой суммы осадков. Устойчивый снежный покров появляется на востоке в 3 декаде октября, в других районах – начале ноября. Зима в горных условиях парка является наиболее продолжительным и суровым временем года. Продолжительность составляет на востоке 202 дня, на западе 154 дня. Высота снежного покрова в марте достигает в лесу 68–70 см, на лесных полянах 62–65 см, а в поле лишь 35–40 см. Максимальная высота снежного покрова по многолетним данным отмечена в лесу – 100–110 см, в поле – 60–65 см.

Преобладающими ветрами на территории парка являются южные и юго-западные. В горных частях господствует особый режим ветров, обусловленный рельефом и ориентацией горных хребтов и долин.

В целом благоприятные климатические условия - относительно мягкий континентальный климат, довольно значительно количество солнечных дней, продолжительный теплый период - привлекают большое количество любителей активного отдыха и вполне благоприятны для произрастания лесных видов древесно-кустарниковой растительности.