多种因素的叠加构成了祁连山林区主要的气候特征，即大陆性高寒半湿润山地气候。表现为冬季长而寒冷干燥，夏季短而温凉湿润，全年降水量主要集中在5～9月，本区由浅山地带向深山地带，气温递减，雨量递增，高山寒冷而阴湿，浅山地带热而干燥。随着山区海拔的升高，各气候要素发生有规律自下而上的变化，呈明显的山地垂直气候带。自下而上为：浅山荒漠草原气候带、浅山干草原气候带、中山森林草原气候带、亚高山灌丛草甸气候带、高山冰雪植被气候带。