Khí hậu mang những nét điển hình của khí hậu nhiệt đới - gió mùa, quanh năm nóng ẩm, nhiệt độ trung bình năm 22 độ C, lượng mưa bình quân 2.262 mm/năm. Có thể chia ra 3 tiểu vùng khí hậu mạng những sắc thái khác nhau: Tiểu vùng khí hậu Đông Trường Sơn: gồm các xã nằm phía Bắc của huyện (Hướng Lập, Hướng Việt, Hướng Sơn, Hướng Linh), đây là vùng chịu ảnh hưởng rỏ nét của nhiệt đới gió mùa Đông Bắc. Nền nhiệt tăng cao vào mùa nóng và chịu ảnh hưởng của gió mùa tây nam khô nóng, nhiệt độ bình quân cả năm tương đối cao (24,9 độ C). Tiểu vùng khí hậu chuyển tiếp (giáp các xã Hướng Phùng, Hướng Tân, Tân Hợp, Tân Liên, Tân Lập, Húc, thị trấn Khe Sanh). Là vùng chịu ảnh hưởng của chế độ khí hậu giao thoa giữa Đông và Tây Trường Sơn. Nền khí hậu tương đối ôn hoà trong năm, mang sắc thái á nhiệt đới, nhiệt độ bình quân cả năm là 22 độ C.

Đặc biệt, thị trấn Khe Sanh nằm ở giữa đỉnh Trường Sơn nên có khí hậu khá lý tưởng, là lợi thế cho phát triển du lịch và nghỉ dưỡng. Tiểu vùng khí hậu Tây Trường Sơn: còn lại nằm ở phía Tây nam của huyện. Là vùng chịu ảnh hưởng rõ nét của chế độ khí hậu nhiệt đới với nền nhiệt cao hầu như quanh năm, nhiệt độ trung bình năm là 25,3 độ C. Các tiểu vùng khí hậu đã tạo cho huyện Hướng Hoá là vùng có tài nguyên khí hậu đa dạng, đây thực sự là một trong những thế mạnh để phát triển nội lực và thu hút đầu tư vào địa bàn.