Thành phố có khí hậu ôn đới ẩm ướt (Cfa) chịu ảnh hưởng bởi gió mùa, theo phân loại của Köppen [31]. Vào mùa hè (tháng Giêng đến tháng Ba), nhiệt độ trung bình khoảng 19 °C (66 °F) và nhiệt độ cao trung bình ở gần 28°C (82 °F). Vào mùa đông, nhiệt độ có xu hướng dao động từ 8 đến 21°C (46 và 70°F).

Nhiệt độ cao kỷ lục là 37,8°C (100,0°F) vào ngày 17 tháng 10 năm 2014 và thấp nhất -3,2 °C vào ngày 25 tháng 6 năm 1918. Nhiệt độ trung bình ở đây cũng tương tự như ở Sydney và Thượng Hải. Đường chí tuyến Nam, ở khoảng 23 ° 27 'S, đi qua phía bắc của São Paulo và gần đánh dấu ranh giới giữa vùng nhiệt đới và ôn đới của lục địa Nam Mỹ. Tuy nhiên, do độ cao của nó, São Paulo gần như có khí hậu ôn đới.

Thành phố trải qua bốn mùa. Mùa đông se lạnh và khô ráo, và mùa hè ấm áp và ít mưa. Mùa thu và mùa xuân là những mùa chuyển tiếp. Mưa xảy ra không thường xuyên ở các vùng xa trung tâm hay trong mùa đông ở quanh thành phố. Các vùng xa trung tâm và các thành phố trong vùng đô thị, có thể đạt đến nhiệt độ gần 0°C (32 °F), hoặc thậm chí thấp hơn vào mùa đông.

Lượng mưa rất phong phú, mỗi năm trung bình 1.454 mm (57,2inch). Nó đặc biệt phổ biến trong những tháng ấm áp trung bình 219mm (8,6inch) và giảm vào mùa đông, trung bình 47 mm (1,9 inch). Cả São Paulo và bờ biển gần đó đều không bị ảnh hưởng bởi cơn bão nhiệt đới và hoạt động lốc xoáy là không phổ biến. Vào cuối mùa đông, đặc biệt là tháng tám, thành phố trải nghiệm hiện tượng "veranico" hoặc "verãozinho" ("ít hè"), bao gồm thời tiết nóng và khô, đôi khi đạt đến nhiệt độ trên 28°C (82°F). Mặt khác, những ngày tương đối mát mẻ vào mùa hè khá phổ biến khi gió dai dẳng thổi từ đại dương. Vào các dịp như vậy, nhiệt độ cao hàng ngày không được vượt quá 20°C (68 °F), kèm theo nhiệt độ thấp thường thấp hơn 15°C (59°F), tuy nhiên, vào mùa hè có thể rất nóng khi sóng nhiệt chảy vào thành phố và nhiệt độ xung quanh 34°C (93°F), nhưng ở những nơi có mật độ nhà chọc trời lớn hơn và ít che phủ cây, nhiệt độ có thể cảm thấy như 39°C (102°F), ví dụ như trên đại lộ Paulista. Mùa hè năm 2012, São Paulo bị ảnh hưởng bởi làn sóng nóng kéo dài trong 2 tuần với mức cao từ 29 đến 34°C trong những ngày nóng nhất. Nạn phá rừng, ô nhiễm nước ngầm và biến đổi khí hậu khiến São Paulo đang ngày càng dễ bị hạn hán và thiếu nước.

Do độ cao của thành phố, chỉ có vài đêm "nóng nực" ở São Paulo thậm chí trong những tháng hè, với nhiệt độ tối thiểu hiếm khi vượt quá 21°C (70°F). Vào mùa đông, tuy nhiên, dòng chảy mạnh của frông lạnh kèm theo tình trạng mây mù và không khí cực độ gây ra nhiệt độ rất thấp, ngay cả vào buổi chiều.

Các buổi chiều với nhiệt độ tối đa từ 13 đến 15°C (55 và 59°F) thường xảy ra ngay cả trong mùa thu và đầu mùa xuân. Vào mùa đông, đã có một số hồ sơ gần đây về buổi chiều lạnh, vào ngày 24 tháng 7 năm 2013 trong đó có nhiệt độ tối đa là  °C (46 °F) và gió chill hit 0°C (32 °F) vào buổi chiều.

São Paulo nổi tiếng với thời tiết thay đổi nhanh chóng. Người dân địa phương nói rằng cả bốn mùa có thể được trải nghiệm trong một ngày. Vào buổi sáng, khi gió thổi từ đại dương, thời tiết có thể mát mẻ hoặc thậm chí còn lạnh. Khi mặt trời lên đến đỉnh điểm, thời tiết có thể rất khô và nóng. Khi mặt trời lặn, gió lạnh trở lại mang lại nhiệt độ mát. Hiện tượng có một không hai này thường xảy ra vào mùa đông.