Воронежская область находится в умеренном климатическом поясе, в области умеренно-континентального климата. Тип климата области определяют её географическое положение внутри материка Евразия, солнечная радиация умеренных широт, атмосферная циркуляция, преимущественно с Атлантического океана, эпизодические воздушные массы с Северного Ледовитого океана, Средиземного моря и из Восточной Сибири, а также разнородность подстилающей поверхности (рельеф, «островная» лесистость, распаханность, урбанизированная территория).
Климат Воронежской области формируют ветры преимущественно западного направления, частота проникновения которых в течение года значительно превосходит все остальные, а также юго-восточный, юго-западный ветры, которые усиливаются в холодный период года и смягчают суровость зимы; северных и северо-восточных направлений в летний сезон, умеряющие жару. Средняя годовая скорость ветра составляет 3,1 м/с. С октября по апрель отмечается повышение скорости ветра, достигающей наибольших значения в ноябре-марте (до 3,6 м/с). Наименьшие средние скорость ветра – в августе – 2,3 м/с. Ветры ураганной силы (до 25 м/с) могут формироваться в марте и ноябре. Летом, главным образом в августе, нередки суховеи, образующие знойные пыльные бури.
Территориальное положение Воронежской области на границе Среднерусской возвышенности и Окско-Донской низменной равнины своеобразно проявляется в термическом режиме области, что особенно заметно в зимний период. Воздушные массы, беспрепятственно поступающие с востока и юго-востока на равнинную территорию, задерживаются возвышенностью. Они застаиваются и выхолаживают земную поверхность. Среднегодовая температура воздуха на востоке Воронежской области на 0,3-0,4 °С ниже, чем на той же широте на западе. Среднегодовая температура воздуха с конца 1950-х гг. к началу XXI-го в. в Воронежской области увеличилась на 1°С. Процесс потепления становится устойчивым с начала 1960-х гг. Наиболее тёплыми были 1960-1969 гг. и 1990-1999 гг. Температурный скачок в эти годы составил 0,4 °С. Современное потепление происходит за счёт повышения температуры в холодные сезоны года. Температура воздуха холодного периода (с ноября по март) повысилась на 2,1°С. Продолжительность безморозного периода в области увеличилась на 3-5 дней. Промежуток времени между последним и первым заморозками в каждом календарном году увеличивается. Но экстремальность появления самых ранних и самых поздних заморозков нарастает. Январь и февраль – самые холодные месяцы. Средняя температура февраля нередко оказывается ниже января. За период сетевых наблюдений на Воронежской метеостанции таких аномалий отмечено 33. Причем 28 из них приходится на 2-ю половину ХХ в. Экстремально низкая средняя месячная температура воздуха отмечена в феврале 1954 г. (Для Воронежа она составила -18,6 °С). Аномально тёплый зимний месяц – февраль 2002 г. со средней температурой +1,1 °С. Средняя многолетняя годовая температура воздуха для Воронежской области +6,2 °С. Различия показателя с севера на юг составляют 1,7 °С. Самый холодный месяц – январь. Его средняя температура -10,5 °С. Самый тёплый месяц – июль. Его средняя температура достигает +20,6 °С.
В тёплый период года (с апреля по октябрь) выпадает 65 % годовой суммы осадков. Максимум – в июне-июле, минимум – марте-апреле. Зимние осадки преимущественно твёрдые, летние – жидкие, в переходные сезоны –неоднородные по фазе, а в годовой сумме преобладают жидкие осадки. В связи с глобальным потеплением доля жидких осадков в годовой сумме нарастает. В многолетнем режиме осадков до середины ХХ в. наблюдалось высокое увлажнение, которое постепенно убывало и достигло своего минимума в 1949 г. Последнее 50-летие характеризуется медленным нарастанием годовых сумм атмосферных осадков. Увеличение происходит за счёт повышения увлажнения в осенне-зимний период. В настоящее время отмечается рост количества осадков, но их годовые суммы не достигли уровня 1940-х гг. Различия в слое атмосферных осадков вызваны локальными условиями их образования, в частности влиянием рельефа. Увлажнённость убывает с северо-запада на юго-восток. Слой осадков в указанном направлении уменьшается в 1,3 раза. Средний многолетний слой годовой суммы осадков для Воронежской области составляет 519 мм.
В Воронежской области чётко выражены климатические сезоны: весна, лето, осень, зима; годовой и сезонный ход солнечной радиации; температуры и влажности воздуха и почвы, давления. В настоящее время наблюдается нарастание средней годовой температуры воздуха и количества атмосферных осадков, увеличение доли жидких осадков в годовой сумме, сокращение продолжительности холодного периода, повышение вероятности появления экстремальных метеорологических событий (ранних осенних и поздних весенних заморозков, ураганов и т. д.).
Средние годовые показатели климата для Воронежа: солнечная радиация – 3780 мДж/м2 в год; средняя годовая температура воздуха – 6,2 °С; годовая сумма осадков – 575 мм; атмосферное давление – 752 мм ртутного столба; скорость ветра – 3,8 м/с; относительная влажность воздуха – 74 %.