公园属亚热带季风气候，季节变化明显，气候温和，多雾多雨，无霜期较长。年平均温度在9.5°C左右，年最高温度38°C，最低温度-13.4°C。全年平均雾日在250 天左右，最多可达300 天，最少也有200天，年平均日照时间在2000小时以下。年降雨日最多可达150 天左右，历年平均降雨量最高达1900毫米。

充沛的降雨量造就了公园内形态各异的井潭、瀑布、溪泉等水文地质景观，山间呈放射状分布的溪流分别汇入天柱山下的潜水和皖水，形成“两水夹一山”的格局。两水均为山溪性河流，呈现陡涨陡落情势。潜水总长约116 千米，流经公园的长度达24.7千米，历年最高水位达31.82米，最低水位28.1米，正常年份降水量为11.6 亿立方米。皖水总长约120千米，流经公园的长度达32千米，正常年份降水量9.91 亿立方米。