آب و هوای بیرجند، نیمه بیابانی بوده و دارای زمستانهای سرد و تابستانهای خشک و گرم است. میزان بارش در این شهر با توجه به آب و هوای آن، کم بوده و بیشترین میزان آن، از آذر تا اردیبهشت رخ می‌دهد که در فصل زمستان اغلب به صورت بارش برف است.
ایستگاه هواشناسی بیرجند در سال ۱۳۳۴ خورشیدی (۱۹۵۵ میلادی) راه اندازی گردید بر اساس اطلاعات این ایستگاه، میانگین سالیانه بیشترین و کمترین درجه حرارت این شهر برابر با ۲۴ و ۸ درجه سانتیگراد است. کمترین دمای ثبت شده در این شهر در ۱۶ ژانویه ۱۹۹۳ و برابر با ۲۱/۵ - درجه سانتیگراد و بیشترین آن در تاریخ ۱۱ جولای ۱۹۶۷ و برابر با ۴۴ درجه سانتیگراد بوده است. شهر بیرجند، به طور میانگین در ۷۶ روز از سال دارای دمای زیر صفر درجه و در ۱۴۲ روز از سال دارای دمای بالای ۳۰ درجه سانتیگراد است.
مجموع بارش سالیانه در شهر بیرجند به طور میانگین برابر با ۱۷۱ میلی متر در سال است. بیشترین میزان بارش در یک روز، در دوم ماه می ۱۹۵۷ رخ داد و ۵۲ میلیمتر باران در این شهر بارید. همچنین میانگین سالیانه رطوبت نسبی در ابن شهر ، ۳۶٪ است و به طور میانگین ۳۰ روز از سال، آسمان این شهر کاملاً ابری است. هوای بیرجند به طور میانگین در ۱۲ روز از سال، با طوفان و گرد و خاک شدید همراه است
