Južno-Sahhalinskis valitseb parasvöötme mussoonkliima. Aasta keskmine õhutemperatuur on 2,8 °С. Kõige külmema kuu, jaanuari keskmine temperatuur on –12,2 °С, kõige soojema kuu, augusti keskmine temperatuur on 17,3 °С. Õhutemperatuuri absoluutne maksimum on 34,7 °С, mis registreeriti 1999. aasta augustis, õhutemperatuuri absoluutne miinimum on –34,8 °С, mis registreeriti 2001. aasta veebruaris. Sademeid on keskmiselt 861 mm.