O clima de São Paulo é considerado subtropical (tipo Cfa segundo Köppen), com diminuição de chuvas no inverno e temperatura média anual de 19,25 °C, tendo invernos brandos e verões com temperaturas moderadamente altas, aumentadas pelo efeito da poluição e da altíssima concentração de edifícios. O mês mais quente, fevereiro, tem temperatura média de 22,5°C e o mês mais frio, julho, de 16 °C, por causa do efeito das ilhas de calor, causado por excessos de prédio, asfalto, concreto e poucas áreas verdes, a cidade de São Paulo tem sofrido com os dias quentes e secos durante o inverno, não raro ultrapassando a marca dos 28 °C nos meses de julho e agosto, um estudo realizado pela Secretaria Municipal do Meio Ambiente, com o apoio do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (USP), indica que a diferença de temperatura, entre o centro e as áreas mais afastadas do centro, pode chegar a até 10 °C. Em julho de 2008, a precipitação de chuva chegou a 0 mm (a média para o mês de julho é de 44 mm), contudo o governo do estado e a prefeitura iniciaram um projeto, com o intuito de plantar árvores na cidade, a fim de aumentar suas áreas verdes e diminuir os efeitos das ilhas de calor.
Devido à proximidade do mar, a maritimidade é uma constante do clima local, sendo responsável por evitar dias de calor intenso no verão ou de frio intenso no inverno e tornar a cidade úmida. A umidade tem índices considerados aceitáveis durante todo o ano, embora a poluição atinja níveis críticos no inverno, devido ao fenômeno de inversão térmica e pela menor ocorrência de chuvas de maio a setembro.
A precipitação anual média é de 1 376,2 mm, concentrados principalmente no verão. As estações do ano são relativamente bem definidas: o inverno é ameno e subseco, e o verão, moderadamente quente e chuvoso. Outono e primavera são estações de transição. Geadas ocorrem esporadicamente em regiões mais afastadas do centro, e em invernos rigorosos, em boa parte do município. Também ocorrem frequentemente nos municípios vizinhos.
A menor temperatura já registrada oficialmente em São Paulo foi de -2,1 °C, em 2 de agosto de 1955 no Mirante de Santana. Já houve ocorrências pontuais de neve na cidade, a única oficialmente registrada foi em 25 de junho de 1918, quando a temperatura atingiu -2 °C. Há registros esporádicos não oficiais que indicam precipitação de neve (na verdade aguaneve) em anos anteriores. A máxima registrada foi de 35,3 °C, no dia 15 de novembro de 1985 também no Mirante de Santana. Existem registros não oficiais de mínima de -3,9 °C, também em 2 de agosto de 1955 no Horto Florestal, e de máxima de 36,9 °C, no dia 19 de janeiro de 1966 na Barra Funda
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