Khí hậu trên đảo Hòn Mài do nằm sát vùng vịnh Bái Tử Long nên cũng mang đặc điểm khí hậu của vùng này. Đảo có khí hậu phân hóa 2 mùa rõ rệt: mùa hạ nóng ẩm, và mùa đông khô lạnh. Nhiệt độ trung bình năm từ 15 °C - 25 °C; lượng mưa vào khoảng 2000 mm/năm. Thủy triều trên đảo với mức triều vào khoảng 3.5- 4m/ngày. Độ mặn nước biển vào khoảng từ 31- 34.5 phần nghìn vào mùa khô và thấp hơn trong mùa hè. [5]

Do vị trí nằm trong một ngư trường kín gió, ít lắng đọng nên vùng biển quanh đảo có nhiều hải sản, sản vật phong phú về loài, số lượng như: Tôm he, mực, sái sùng, cá thu, cá song, cá vược v.v.., trên đảo có nhiều loài ốc, hà, cua. Sái sùng là hải sản nổi tiếng vì chất lượng tuyệt hảo, sự bổ dưỡng và quý hiếm. Từ thời xưa, chúng được khai thác để làm cống vật cho vua, quan. [6]

Đặc biệt, do môi trường tự nhiên trong sạch không bị ô nhiễm, đảo là nơi duy nhất trong quần thể đảo có san hô đỏ - một trong những loài san hô quý hiếm phát triển. Bên cạnh đó, vào thời gian nhất định trong tháng, ngư dân trong vùng chứng kiến sự xuất hiện các đàn Cá heo tụ tập xung quanh đảo.

Đảo có đất đai phì nhiêu và điều kiện thiên nhiên thích hợp trên đảo trồng được nhiều loại cây dược liệu quý như Đinh lăng, Đương quy, Sâm nam với hàm lượng saponin cao. [7]