西安市平原地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冷暖干濕四季分明。冬季極其寒冷，風速較小，霧氣較多，雨雪較少。春季溫暖而干燥，多風，氣候多變。夏季酷熱多雨，伏旱問題突出，經常出現雷雨大風。秋季涼爽，氣溫快速下降，秋霖現象十分明顯。

年平均氣溫在13.0℃-13.7℃之間，1月份最冷時平均氣溫在-1.2℃-0.0℃之間，7月份最熱時平均氣溫在26.3℃-26.6℃之間。年極端最低氣溫為-21.2℃，發生在藍田市于1991年12月28日，而年極端最高氣溫為43.4℃，發生在長安區于1966年6月19日。

年降水量在522.4-719.5毫米之間，從北向南遞增。7月和9月是兩個明顯的降水高峰月。年日照時數為1646.1-2114.9小時。不同地區的主導風向也有所不同，西安市區為東北風，周至和戶縣為西風，高陵和臨潼為東東北風，長安為東南風，藍田為西北風。

西安市平原地區常常受到多種氣象災害的困擾，包括干旱、連陰雨、暴雨、洪澇、城市內澇、冰雹、大風、干熱風、高溫、雷電、沙塵、大霧、霾、寒潮和低溫凍害等。