Tần Lĩnh, dãy núi phân định khí hậu phía bắc và Nam Trung Quốc, chạy dọc theo chiều đông-tây của Thiểm Tây. Thiểm Tây được phân thành ba vùng khí hậu, có sự khác biệt lớn giữa bắc và nam. Khu vực Thiểm Nam thuộc vùng khí hậu cận nhiệt đới gió mùa, Quan Trung và đại bộ phận Thiểm Bắc thuộc vùng khí hậu ôn đới ấm, khu vực dọc theo Vạn Lý Trường Thành ở bắc bộ của Thiểm Bắc thuộc vùng ôn đới lạnh (ôn đới trung). Nhìn chung, khí hậu Thiểm Tây có đặc điểm là: mùa xuân ấm và khô ráo, lượng giáng thủy khá thấp, nhiệt độ tăng nhanh song bất ổn định, nhiều gió cát; mùa hè có nhiệt độ cao và nhiều mưa, song cũng có lúc tái khô hạn; mùa thu mát dễ chịu với độ ẩm tương đối thấp, nhiệt độ hạ nhanh chóng; mùa đông rét lạnh lẽo và khô hanh, nhiệt độ thấp, có rất ít mưa tuyết. Nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Tây là 13,7 °C, giảm dần từ nam đến bắc, từ đông sang tây: nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Bắc là 7 °C-12 °C, nhiệt độ trung bình năm của Quan Trung là 12 °C-14 °C, nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Nam là 14 °C-16 °C. Nhiệt độ trung bình tháng 1 của Thiểm Tây là -11 °C đến 3 °C, nhiệt độ trung bình tháng 7 là 21 °C-28 °C. Mỗi năm, Thiểm Tây có từ 160-250 ngày không có sương giá, nhiệt độ thấp kỷ lục là -32,7 °C, nhiệt độ cao kỷ lục là 42 °C. Lượng giáng thủy bình quân hàng năm của Thiểm Tây là 702,1 mm, biến đổi từ 340–1240 mm. Khoảng 60-70% lượng giáng thủy tập trung vào khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 10, thường gây nên lũ lụt, còn hai mùa xuân và hè thường bị hạn hán. Lượng giáng thủy tại Thiểm Tây giảm từ nam lên bắc: Thiểm Nam là vùng ẩm ướt, Quan Trung là vùng bán ẩm còn Thiểm Bắc là vùng bán khô hạn.