Khu vực VQG Núi Chúa nằm lọt hoàn toàn trong khu vực khí hậu ven biển miền trung thuộc vùng khí hậu Nam Trung Bộ với đặc điểm là khô hạn cao trong toàn bộ chế độ mưa-ẩm, mà đặc điểm này liên quan đến vị trí bị che khuất của vùng này bởi các vòng cung núi bao bọc phía bắc, tây và nam với hai luồng gió mùa chính. Trong vùng khí hậu khô hạn này thì khu vực Phan Rang được coi là trung tâm khô hạn nhất nước, với lượng mưa trung bình năm dưới 700mm, có những năm dưới 500mm.

Mùa mưa ở khu vực này đến muộn so với các vùng khác và kết thúc cũng sớm hơn, bắt đầu khoảng tháng 9 - 10 và kết thúc khoảng tháng 12. Gió mùa Đông Bắc không ảnh hưởng nhiều đến khu vực nên không cung cấp thêm lượng ẩm vào mùa gió mùa đông bắc, còn gió mùa Tây Nam vào mùa mưa thì lại bị các khối địa hình cao hơn ở vị trí bên trong hứng gần hết lượng ẩm mà gió mùa tây nam mang lại và chỉ có tác dụng vào gần cuối mùa gió mùa Tây Nam. Do vị trí tiếp giáp như vậy lượng mưa tại khu vực Núi Chúa có thể đạt xấp xỉ 1000mm hoặc hơn so với trung tâm khô hạn Phan Rang-Mũi Dinh chỉ đạt 650-750mm/năm.

Chế độ nhiệt của khu vực mang những nét đặc trưng của chế độ nhiệt miền Nam, không có mùa đông lạnh, nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 260C, nhiệt độ tháng lạnh nhất không xuống thấp hơn 230C (cho địa hình thấp, đồng bằng) (Bảng 3.1), nền nhiệt độ các tháng trong năm khá ổn định theo kiểu chuyển tiếp khí hậu xích đạo – nhiệt đới. Các yếu tố cực trị về nhiệt có thể thấy qua các trị số cực tiểu như nhiệt độ tối thấp tuyệt đối có thể đạt 14-150C ở đồng bằng và giảm thêm theo độ cao.

Độ ẩm không khí liên quan đến chế độ nhiệt và mưa như trên nên độ ẩm trung bình chỉ khoảng 80%, trong các tháng mùa mưa thì cũng chỉ đạt khoảng 85%, trong các tháng mùa khô, độ ẩm tối thấp tuyệt đối có thể xuống dưới 20-25%.

Theo Luận chứng Khoa học của VQG Núi Chúa (4), tính toán các chỉ số nhiệt và mưa hàng tháng thì khu vực này có 9 tháng khô, 4 tháng hạn và 2 tháng kiệt và được xếp vào loại khô hạn nhất ở Việt Nam. Chỉ số khô hạn X = 9. 4. 2

Hệ thống dòng chảy – thủy văn: Với địa hình là một khối núi nhỏ độc lập như vậy nên hệ thống thủy văn sông suối trong khu vực này có đặc trưng là dòng chảy ngắn, nhỏ và lưu lượng thay đổi theo mùa, diện tích lưu vực cho từng dòng chảy không lớn.

Nhìn chung khu vực VQGNC không có suối lớn, chỉ có một số suối nhỏ, ngắn đến mùa khô gần như không có nước. Các suối có dòng chảy đáng kể như suối Nước ngọt, Suối Nước giếng, Suối Kiền Kiền, suối Đông Nha, suối Lồ ồ, suối Đá. Các suối trên đều bắt nguồn từ trên núi cao chảy ra Biển Đông.

• Suối Đồng Nha: bắt nguồn từ phía nam Núi Chúa chảy xuống đầm Nại, qua địa bàn các xã Phương Hải, Tri Hải và Nhơn hải, chiều dài = 11km, diện tích lưu vực =37 km, dòng chảy chuẩn qo = 0,193 ¬m3/giây.

• Suối Nước Ngọt 3: bắt nguồn từ núi Ông, núi Chúa Anh, diện tích lưu vực = 33,7 ha dòng chảy chuẩn qo = 0,115 m3/giây và lưu lượng wo = 5,52.106 m3.

• Suối Kiền Kiền: bắt nguồn từ Núi Chúa chảy về hướng tây thuộc địa bàn xã Lợi Hải. diện tích lưu vực = 22 km2, dòng chảy chuẩn qo = 0,115 m3/giây, lưu lượng wo = 3,63.106 m3.

• Suối Nước Ngọt 1: (bãi cấp) bắt nguồn từ phía bắc Núi Chúa chảy về hướng đông ra biển Bình Tiên ở bãi Cấp, diện tích lưu vực = 19,5 km, dòng chảy chuẩn q0 = 0,102 m3 /giây, w0 = 3,22.106m3.

Ngoài ra trong vùng đệm còn có một số sông suối nhỏ khác, có lưu lượng không đáng kể, về mùa khô hầu như khô kiệt không có nước.

Thủy văn: Do địa hình hiểm trở, độ dốc cao 10 – 25o nên đã hình thành hệ thống suối trong vùng với mật độ khe suối 0,7 km/km2. Trong khu VQG có các suối với diện tích lưu vực nước lớn như: Suối Nước Ngọt, Suối Kiền Kiền, Suối Đông Nha.

Hầu hết các suối trên đều bắt nguồn từ các khu vực núi cao chảy ra Biển Đông. Ngoài ra, VQG Núi Chúa có khoảng hơn 40 km bờ biển trong đó có một số bãi cát và cồn cát nhỏ, và có một hồ nước nhỏ trên núi Đá Vách, ở gần biển khu vực Vĩnh Hy có nước ngọt tồn đọng quanh năm, là nơi có khá nhiều thực vật thân thảo, cây bụi và động vật: thú, lưỡng thê, bò sát sinh sống.

Thủy triều trong khu vực mang tính bán nhật triều không đều, trong ngày có hai lần triều lên và hai lần triều rút. Độ lớn của thuỷ triều trong kì nước cường khoảng 2 – 3,5m.

Sóng biển: Từ tháng 1 – 4: Hướng thịnh hành là Tây – Tây Nam, độ cao trung bình 1 – 1,1m, cực đại khoảng 2m; Từ tháng 10 – 12: Hướng thịnh hành là Đông Bắc, độ cao trung bình khoảng 1,2m, cực đại khoảng 2,5m. Nhiệt độ trung bình của nước biển trong các tháng trên 250C, Độ mặn trung bình của nước biển từ 31 – 33%.