Do địa hình phức tạp, nhất là sự khác biệt về địa hình giữa vùng núi cao với đồng bằng thấp ven sông nên khí hậu, thời tiết của huyện Tam Đảo được chia thành 2 tiểu vùng rõ rệt (các tiểu vùng về khí hậu, không trùng với địa giới hành chính cấp xã). Cụ thể:

Tiểu vùng miền núi, gồm toàn bộ vùng núi Tam Đảo thuộc trị trấn Tam Đảo và các xã Minh Quang, Hồ Sơn, Tam Quan, Đại Đình, Đạo Trù… có khí hậu mát mẻ, nhiệt độ trung bình 18C-19C, độ ẩm cao, quanh năm có sương mù tạo cảnh quan đẹp. Khí hậu tiểu vùng miền núi mang sắc thái của khí hậu ôn đới, tạo lợi thế trong phát triển nông nghiệp với các sản vật ôn đới và hình thành các khu nghỉ mát, phát triển du lịch sinh thái, du lịch nghỉ dưỡng vào mùa hè.

Tiểu vùng khí hậu vùng thấp, bao gồm phần đồng bằng của các xã Minh Quang, Hồ Sơn, Tam Quan, Đại Đình, Đạo Trù và toàn bộ diện tích của các xã còn lại. Tiểu vùng khí hậu của vùng mang các đặc điểm khí hậu gió mùa nội chí tuyến vùng Đông Bắc Bắc Bộ. Nhiệt độ của tiểu vùng trung bình ở mức 22C-23C, độ ẩm tương đối trung bình khoảng 85-86%, lượng mưa trung bình 2.570 mm/năm và thường tập trung vào tháng 6 đến tháng 9 trong năm.

Tam Đảo nằm trong vùng Trung du và miền núi phía Bắc nên chịu ảnh hưởng của chế độ nhiệt đới gió mùa ẩm. Mưa bão có sự tác động tiêu cực đến sản xuất và đời sống. Chế độ gió theo mùa, mùa hè chủ đạo là gió Đông Nam, mùa đông chủ đạo là gió mùa Đông Bắc.