Độ cao của dãy núi Hoàng Liên Sơn cũng khiến cho khí hậu hai nửa của đèo được phân định tại Cổng Trời trở nên khác biệt. Mùa đông, trong khi bên phía Tam Đường trời vẫn ấm áp thì bên Sa Pa có những cơn gió lạnh cắt da cắt thịt[5], cả ngày sương mù bao phủ, tầm nhìn không quá 2m và núi rừng chìm ngập trong mây. Vào mùa hè, nếu bên đèo Sa Pa khí hậu mát mẻ trong lành thì bên đèo Tam Đường, những cơn nóng khô hanh do ảnh hưởng hoạt động của gió Lào sẽ thiêu đốt mặt đất, suối khô kiệt nước và những thảm cỏ xanh cằn cỗi dưới ánh mắt trời.

Vào những đợt thời tiết giá rét đỉnh đèo Ô Quý Hồ có thể phủ kín băng tuyết [9][10].