Климат города — резко-континентальный, что связано с большим удалением на материке от океанов и обуславливает большие амплитуды в годовом и суточном ходе температуры. Средняя годовая температура воздуха +1,3 °С. Внутригодовой ход температуры воздуха характеризуется устойчивыми сильными морозами в зимний период, интенсивным нарастанием тепла в короткий весенний сезон и частой жарой в течение лета.
Средняя многолетняя температура воздуха января, самого холодного месяца, составляет −17,9 °С, в отдельные годы t° опускается до −50 °С и ниже, средняя многолетняя температура июля, самого жаркого месяца, составляет +20,2 °С, максимально до + 41,6 °С. Таким образом, амплитуда колебаний воздуха составляет около 40 °С, абсолютная амплитуда колебаний воздуха превышает 90 °С. Средняя суточная амплитуда t° наиболее холодного месяца (января) 9,6 °С. Средняя суточная амплитуда t° наиболее тёплого месяца (июля) 14,1 °С.
Продолжительность периода со средней t°воздуха ≤0 °С (климатическая зима) составляет 169 суток. Продолжительность периода со средней t° ≤8 °С — 215 суток.
Продолжительность периода со средней t° ≤10°С — 229 суток.
Продолжительность периода со средней t° >15°С (климатическое лето) — 100 суток.
Средняя дата перехода температуры через 0 °C (наступление климатической весны) — 10 апреля, через >5 °C — 22 апреля.
Средняя дата перехода температуры через >15 °C (наступление климатического лета) — 25 мая.
Средняя дата перехода температуры через <15 °C (наступление климатической осени) — 2 сентября
Средняя дата перехода температуры через −0 °C (наступление климатической зимы) — 25 октября.
Преобладающее направление ветра юго-западное и западное, особенно в зимний период, летом возрастает повторяемость ветров с северной составляющей, средняя скорость ветра 4,5-5,5 м/с. Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь 7,8 м/с. Преобладающее направление ветра за июнь-август — СЗ. Солнечных дней много, количество солнечного тепла, получаемого летом землёй, почти столь же велико, как и в тропиках. Облачность незначительна.
Среднее многолетнее количество осадков составляет около 300 мм с резкими колебаниями по годам (от 110 до 780 мм). Более половины осадков выпадает во время теплого периода (максимум их приходится на июнь-июль, минимум — на февраль-март). Количество осадков за ноябрь-март 92 мм. Количество осадков за апрель-октябрь 218 мм. Снежный покров устанавливается обычно в начале ноября, удерживается в среднем 150 дней, тает в первой половине апреля, средняя высота достигает 25-35 см, в многоснежные годы до 50-60 см. Резко недостаточная увлажненность проявляется не только в малом количестве, но и в низкой влажности воздуха. Наименьшая влажность наблюдается в летние месяцы (40-45 %), наибольшая в зимние месяцы (55-60 %).
Зима холодная и продолжительная (5,5 месяцев) с устойчивыми снежными покровами. Лето короткое (около 3-х месяцев), умеренно-жаркое. Весна и осень выражены слабо. Неблагоприятной особенностью климата является наличие поздне — весенних и ранне — осенних заморозков.
Атбасар имеет достаточно сложный тип климата. На климат влияет широта города, равная 51 градусу 49 минутам северной широты, большая удалённость от океана (резко континентальный климат), нахождение на высоте около 300 метров над уровнем моря (влияет высотная поясность). Высота над уровнем моря понижает температуру на 2 градуса по сравнению с той, которая наблюдалась бы при нахождении на уровне моря и убыстряет ночное выхолаживание воздуха. Зимой в город стекается холодный воздух, так как он находится в небольшой котловине (долине реки Жабай). Ночью холодный воздух стекает с высоких мест в долину. Это явление связано со стремлением холодного воздуха занять самые низкие участки земной поверхности, так как он тяжелее теплого.
Несмотря на то, что город находится почти на 400 км южнее самой северной точки Казахстана, район Атбасара считается самым холодным местом страны. Именно здесь была зарегистрирована самая низкая температура (абсолютный минимум) в Казахстане<span> — −57,2 °C. Если сравнить средние температуры 4-х городов - Атбасар, Кокшетау, Есиль, Астана, то видно, что в Атбасаре всегда холоднее, за исключением тёплого периода с мая по сентябрь и только в сравнении с Кокшетау, который расположен на 178 км севернее.</span>
