Đồng Văn là một huyện nằm trong vùng khí hậu gió mùa nhưng mang tính chất lục địa khá rõ nét. Lượng mưa trung bình tương đối lớn khoảng 1750 - 2000mm, tập trung từ tháng 5 đến tháng 10. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình trong năm đạt 23,1độC. Độ ẩm không khí bình quân năm đạt 84%. Do vị trí nằm trên cao nguyên đá vôi nên khả năng giữ nước kém nhất là vào mùa khô nên một số vùng trong huyện thường xuyên gặp phải tình trạng thiếu nước trầm trọng. Bên cạnh đó trong huyện còn thường xuyên xuất hiện, hiện tượng sương muối, thỉnh thoảng có năm thường xuất hiện, hiện tượng mưa tuyết nên ảnh hưởng không nhỏ đến vật nuôi cây trồng vào mùa khô.

     Đồng Văn có con sông Nho Quế chảy qua dọc theo ranh giới phía Đông Bắc của huyện và có một hệ thống con suối lớn, nhỏ chảy qua nhưng lưu lượng nước của những con suối này khác nhau, không ổn định theo mùa. Đặc biệt có hai con suối chảy vào sông Nho quế, một con suối ở phía nam xã Lũng Cú và một ở phía bắc thị trấn Đồng Văn có nước quanh năm và lưu lượng dòng chảy khá lớn vào mùa mưa nên đủ nước cung cấp cho nhân dân trong vùng và tạo điều kiện các trạm thủy điện nhỏ.