天桂山风景区属于暖温带半湿润大陆性季风气候类型，但由于地处山区，海拔较高，又具有明显的山地气候特点，与平山县城及东部平原气候相比，比较温凉湿润，从谷底到山顶气侯垂直分布比较明显。

据调查分析，天桂山年平均气温8－11℃，比平山县城低2－3℃，

最热月（7月）月平均气温山上20℃左右，比平山县城低6－7℃，比石家庄市区低7℃，夏季凉爽的气候，为消夏避暑提供了气候条件。最冷月（1月）月平均气温－4℃左右，比平山县城气温低一些。东西向山体阻挡了北风寒流，阳坡春季花开较早。天桂山年降水量649－690毫米（北冶乡所在地观测为633．2毫米），比平山县城多110毫米左右。年内以7、8月降水量最多，约占全年的65－70%，1、12月及春季降水量较少，但常有寒潮降雪天气，阴坡积雪，有的年份到4月积雪才融化完。积雪融化，在一些沟头崖壁可见冰挂景观。天桂山年降水量年际变化较大，相对变率达29%。如1963年年降水量达910多毫米，年最多降水量与最少值差670毫米，多雨年常闹洪灾。夏季天桂山多地形雨，温暖气流往往沿东西沟谷而上，遇山体抬升致雨。同时，也形成了云雾景观，尤其雨后乍晴时，燕尾沟、沕沕水沟等处可见云海或流雾。

天桂山年平均风速2米/秒，年内以春季风速较大（平均2．3米/秒），秋季最小（平均1．8米/秒）。沟谷走向和坡向制约着盛行风向，一般情况下，春、夏多为东风，秋、冬西风和西北风占优势。盛夏山上夜风吹来，凉风扑面，清爽宜人。