Phía bắc Thung lũng Trung tâm có khí hậu Địa Trung Hải nóng (phân loại khí hậu Köppen: Csa); các khu vực ở xa hơn về phía nam thuộc vùng bóng mưa, đủ khô để xác định thuộc khí hậu đồng cỏ Địa Trung Hải (BShs, như ở quanh Fresno) hay thậm chí là sa mạc vĩ độ thấp (BWh, như ở các khu vực quanh Bakersfield). Thung lũng có thời tiết nóng và khô trong mùa hè, có thời tiết mát mẻ và ẩm trong mùa đông, khi đó sương mù trên mặt đất xuất hiện thường xuyên và được người dân khu vực gọi với cái tên là"sương mù Tule", nó khiến cho tầm nhìn bị che khuất. Nhiệt độ ban ngày vào mùa hè tiến gần đến 100 °F (38 °C), và các sóng nhiệt thường thấy có thể đưa nhiệt độ vượt quá 115 °F (46 °C). Từ giữa thu đến giữa xuân được xem là mùa mưa — mặc dù vào cuối hè, gió đông nam trên cao có thể đem đến các cơn bão có nguồn gốc nhiệt đới, chủ yếu là ở nửa phía nam của thung lũng San Joaquin song đôi khi cũng xuất hiện ở thung lũng Sacramento. Nửa phía bắc của thung lũng Trung tâm nhận được lượng mưa lớn hơn so với nửa phía nam bán sa mạc. Sương giá xảy ra nhiều lần trong những tháng mùa đông, song tuyết vô cùng hiếm gặp.[7]