Rio thuộc vùng khí hậu savan nhiệt đới rất gần với ranh giới khí hậu nhiệt đới gió mùa theo phân loại khí hậu của Köppen, và thường đặc trưng bởi thời gian mưa kéo dài từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau.[10] Ở các khu vực thuộc đất liền của thành phố, nhiệt độ trên 40 °C thường xuất hiện trong suốt hè mặc dù hiếm gặp trong các giai đoạn dài trong khi nhiệt độ tối đa trên 27 °C có thể xuất hiện trong một tháng (monthly basis).

Dọc theo bờ biển, gió thay đổi hướng thường xuyên tạo ra nhiệt độ ôn hòa. Do vị trí địa lý, thành phố thường hứng chịu các đợt lạnh kéo đến đầu tiên từ Nam Cực, đặc biệt vào mùa thu và đông làm cho thời tiết lạnh đi. Hầu hết trong mùa hè các đợt mưa rào thường gây ra lũ và lở đất. Các vùng núi có lượng mưa lớn hơn vì chúng là lá chắn luồn gió ẩm thổi đến từ Đại Tây Dương.[11]

Có người từng nói rằng thành phố từng hứng chịu các đợt sương giá trong quá khứ, nhưng thông tin này không bao giờ được xác nhận. Một số khu vực thuộc bang bang Rio de Janeiro từng có mưa đá nhưng không thường xuyên (hiện tượng này hiếm gặp hoặc chỉ xảy ra hạn chế trong một vài vùng thuộc vùng đại đô thị và các vùng ngoại ô phía tây của thành phố),[12] mỗi 2 thập kỷ hoặc ít hơn ở một số khu vực, và ở những khu vực khác có tuyết trên một lần trong mỗi thế kỷ, chủ yếu ở các thành phố Resende và Itatiaia (vĩ độ thấp hơn so với Rio de Janeiro, nhưng ở độ cao lớn hơn),[cần dẫn nguồn] các khu vực lạnh nhất ở bên dưới Nam Brasil, và nhiều phần là có sương giá.

Nhiệt độ trung bình thấp nhất nhàng năm là 21 °C, nhiệt độ trung bình cao nhất hàng năm là 27 °C, và nhiệt độ trung bình hàng năm là 23 °C. Lượng mưa trung bình hàng năm là 1.175 mm.Theo INMET, nhiệt độ thấp nhất ghi nhận được là 4,8 °C vào tháng 7 năm 1928 ở Campo dos Afonsos bairro (tiếng Bồ Đào Nha là "vùng lân cận"), và nhiệt độ tuyệt đối cao nhất là 44 °C vào tháng 2. Nhiệt độ thấp nhất từng xảy ra trong thế kỷ XXI cho đến nay là 8,1 °C ở Vila Militar vào tháng 7 năm 2011.[13] Nói chung, nhiệt độ xuống dưới 10 °C là rất hiếm. Nhiệt độ ở Rio có sự khác biệt tùy thuộc vào địa hình, khoảng cách từ bờ biển và hướng gió. Vào mùa đông, thời tiết thường khá mát mẻ và ít mưa.

Nhiệt độ trung bình hàng năm của biển là dao động 23-24 °C, từ 22 °C trong giai đoạn tháng 7-10 đến 26 °C trong tháng 2 và tháng 3.[14] Tháng khô nhất là tháng 8 còn tháng ẩm nhất là tháng 12.