O clima no Parque Nacional da Chapada dos Guimarães, segundo classificação de Köppen, inclui-se nas categorias Aw (na Depressão Cuiabana) e Cw (na Chapada). Ambas caracterizam-se pela presença marcante de uma estação chuvosa (outubro a março) e uma seca (abril a setembro). Na estação seca ocorrem as “friagens”, invasão da massa polar sobre o continente, levando a quedas bruscas de temperatura.

Igreja de Santana em dia de neblina - Chapada dos Guimarães

As temperaturas médias anuais variam de 25º C (na Baixada Cuiabana) a 21,5º C (nos topos elevados da Chapada dos Guimarães), sendo que as temperaturas máximas diárias, na Baixada Cuiabana, podem superar os 38º C e as mínimas, no topo da Chapada, caem a menos de 5º C. A precipitação média anual permanece entre 1300 e 1600 mm de chuvas na Baixada Cuiabana e chega a 2100 mm anuais nas porções mais altas da Chapada dos Guimarães.

A presença de ilhas climáticas nas encostas cria condições ambientais propícias para a sobrevivência de espécies diferentes daquelas das regiões planas e baixas.