בקיץ הרוח החזקה מנשבת ממערב מדי יום. זוהי למעשה הבריזה הים-תיכונית המתפתחת באזור החוף לפני הצהריים, ומתקדמת מזרחה במעלה הגליל, עד לנפילתה בעוצמה רבה מהרי נפתלי אל העמק בשעות אחר הצהריים.
כמות המשקעים בעמק החולה קטנה מזו שבהרי הגליל הסמוכים, משום שירידת זרמי האוויר הדרום-מערביים מגובה כמה מאות מטרים גורמת להתחממותם ולפיזור חלק מהעננים נושאי הגשם. עם התקדמותם לצפון-מזרח הם מטפסים על הרי הגולן והחרמון, ואז מתעבים שוב העננים ומורידים גשמים. מסיבה זו רבים יותר הגשמים בצפון העמק מאשר בדרומו, משום שבדרום ההרים היכולים להגביר את הגשם מרוחקים יותר, לעומת החרמון הצמוד לדופן העמק בצפון. כמות המשקעים הממוצעת ביסוד המעלה היא כ-450 מ"מ בשנה, לעומת כ-700 מ"מ בשנה בדפנה, וכ-800 מ"מ בשנה בכפר גלעדי.
הלחות היחסית בעמק החולה אופיינית לאקלים היבשתי, והיא נמוכה במיוחד בימי הקיץ – ממוצע של פחות מ-40% לחות בצהריים מאפריל עד אוקטובר. הלחות הנמוכה גורמת לכך שלמרות הטמפרטורות הגבוהות, עומס החום אינו כבד בדרך כלל. הרוחות המערביות לפנות ערב תורמות אף הן להפחתת עומס החום. ההתקררות הלילית גורמת לעליית הלחות היחסית עד כדי הצטברות טל במרכז העמק.
הידרולוגיה.
נופו של עמק החולה מאופיין בשפע המים שבו, מים שמקורם באגן היקוות רחב שבחלקו יורדים משקעים רבים יותר מהממוצע בעמק עצמו. השטח המתנקז לעמק החולה מוערך בכ-1,470 קמ"ר, וכמות המים המגיעים ממנו לעמק היא כ-740 מיליון מ"ק בשנה בממוצע.
נחלים.
בעמק החולה נמצא ראשו של נהר הירדן, הנוצר מהתמזגותם של שלושה נחלים עיקריים: נחל שניר (חצבאני), נחל חרמון (בניאס) ונחל דן. כמה נחלים נוספים זורמים בעמק ומתנקזים לירדן בהמשך נתיבו.
סמוך לקיבוץ שדה נחמיה מתחברים נחלי חרמון ודן, וכמה מאות מטרים מדרום לשם מתחבר אליהם נחל שניר ליצירת נהר הירדן. מכאן זורם הירדן לאורך קילומטרים בודדים, עד להתפצלותו לשתי זרועות – ירדן (המערבית) ותוּרעָה (המזרחית). ייתכן כי גם התפצלות זו מקורה בתעלה שנחפרה לצורכי השקיה. בזמן שהאגם והביצות היו קיימים, נוצרה באזור זה מעין דלתה בשל הסחף הרב שהצטבר בנקודת ההתפצלות.
בנוסף לשלושת מקורות הירדן, ראויים לציון שלושה נחלים. נחל עיון הזורם מעמק עיון (בשטח לבנון מצפון למטולה), יורד בקניון עמוק ומפלים ("התנור" ועוד) ומשם בערוץ צר שפרץ בין שפכי הלבה במערב המדרגות, עד כניסתו לעמק ממערב לבית הלל. נחל עזריאל (במקומות רבים הוא מכונה נחל עין זהב) שתחילתו במעיין "עין זהב" הנובע באי תנועה על כביש 90 בצפונה של קריית שמונה. אפיק הנחל חוצה את קריית שמונה ואורכו 2.5 ק"מ. בדרכו הוא זורם בפארק הזהב ממערב לגבעת שחומית, ונשפך לתעלה המערבית לא לפני שמצטרף אליו נחל הטחנות. נחל קליל ראשיתו לרגלי שפכי הלבה המזרחיים ממערב לכפר סאלד, משם הוא זורם במזרח העמק ומנקז אליו את הנחלים היורדים מהגולן, בהם נחל ירדינון ונחל עורבים. שלושת הנחלים האלו התנקזו בעבר ישירות אל הביצה בנפרד מהירדן. כיום הם מהווים חלק ממערכת תעלות הניקוז של עמק החולה, ורק קטעים קצרים שלהם נותרו באפיקים המקוריים.
מעיינות.
בשל ההעתקים המקיפים את עמק החולה, נובעים עשרות מעיינות בשוליו המזרחיים והמערביים ובתחתית המדרגות שבצפונו. ספיקת המעיינות משתנה בין חורף לקיץ, ותפוקתם הכוללת נאמדת בכ-100 מיליון מ"ק בשנה. הגדול בהם הוא מעיין עינן (עין מלאחה בערבית), הנובע לרגלי הרי נפתלי ואשר מזין במימיו את נחל עינן הזורם ממנו אל האגם. כיום נשאבים מרבית מימיו ומובלים ליישובי ההר, חלקם נאגרים במאגר סמוך ומשמשים להשקיה, ויתרתם זורמת לשמורת החולה.
מעיינות גדולים נוספים במערב העמק הם עין תאו (ג'חולה), היוצר בריכה נאה בצמוד לכביש 90, כקילומטר מצפון לצומת כ"ח; עין זהב, הנובע בתחום קריית שמונה ומספק את מימיה וסיפק בעבר את המים המינרליים למפעל נביעות (עד אשר בשל מאבק מקומי לשיקום הנחל, נביעות הפסיקו לשאוב מעין זהב ועברו לקידוח החולה 7), עין אווזים ועוד. במורדות הגולן במזרח העמק נובעים מעיינות רבים, שהגדולים בהם הם עין גילבון (ג'לבינה), עין דבשה (דרבשייה) ועין נוטרה (עין א-תינה).
אגם החולה.
אגם החולה היה במאות השנים האחרונות אגם רדוד שהשתרע על פני שטח של 13.9 קמ"ר, אורכו המרבי היה 5.3 ק"מ ורוחבו המרבי 4.4 ק"מ. במדידות שנערכו בראשית המאה העשרים, היה העומק הממוצע שלו כ-2.5 מ', העומק המרבי בקיץ כ-3 מ' ובחורף כ-4 מ'. בימי שיטפונות עלו פני המים, אולם בשל מבנה העמק, עיקר העלייה הייתה באזור הביצות שמצפון לאגם, אשר התפשטו צפונה על פני המישור.
בצידו המזרחי גבל האגם במורדות הגולן, ואילו במערב היה מרוחק כקילומטר אחד ממדרונות הרי נפתלי, מרחק שגדל לכיוון דרום בשל מניפות הסחף של נחל דישון ונחל חצור.
ביצת החולה.
מצפון לאגם החולה התקיימה ביצה, ששטח ההצפה הקבוע שלה היה 37 קמ"ר, ובעונת הגשמים נוספו לו כ-12 קמ"ר (עלייה של 25 ס"מ במפלס האגם גרמה להתפשטות הביצה כקילומטר צפונה). למעשה הייתה הביצה המשך ישיר של האגם, שאזוריו הרדודים יותר כוסו בצמחייה סבוכה, בעיקר גומא הפפירוס.
חלק ניכר מהמעיינות בשולי העמק נובעים במניפות סחף, ולכן מימיהם אינם זורמים באפיקים אלא מתפזרים בשטח ויוצרים אף הם ביצות מקומיות קטנות.
הצפת המישור.
הסחופת הרבה שנשאו הנחלים אל העמק הצטברה בשולי אפיקיהם בשלב הזרימה במישור, ויצרה סוללות עפר בגובה כמה מטרים מעל פני השטח. סוללות אלו מנעו ממי הגשמים בעמק להתנקז אל תוך הנחלים הסמוכים אליהם, וגרמו לעליית מפלס מי התהום. במרכז העמק היה מפלס מי התהום בקיץ נמוך במטר אחד בלבד מפני השטח, ועם עליית פני האגם בעונת הגשמים עלה גם מפלס מי התהום והציף שטחים רבים.
במצב זה היה קשה לנצל את הקרקע לחקלאות ואף לנקז את השטח ביעילות, משום שבהעמקת תעלות נחשפו מי תהום נוספים. זהו הגורם לכך שניקוז הביצה התאפשר רק לאחר הורדת מפלס מי האגם, באמצעות העמקת אפיק הירדן במוצאו ממנו.
ייבוש החולה.
בשנות ה-50 של המאה ה-20 השתנה נופו של עמק החולה באופן קיצוני, בעקבות ייבוש האגם והביצה. הייבוש נעשה על מנת לנצל את הקרקעות הפוריות ושפע המים להרחבת השטח המעובד, וכל השטח המיובש חולק בין יישובי העמק והרי הגליל העליון הסמוכים. מבצע הייבוש הוליד את המאבק הסביבתי הראשון בישראל והביא לייסוד החברה להגנת הטבע ולהקמת שמורת החולה, שמורת הטבע הראשונה בארץ, שבה נשמר חלק קטן מנוף האגם והביצות.
במרוצת השנים הסתבר שבצד התועלת שבהרחבת הקרקעות החקלאיות, נגרם נזק ניכר למערכות אקולוגיות בעמק החולה ובמורד נהר הירדן. האגם והביצה שימשו אגן שקיעה לסחף רב, אשר לאחר הייבוש הובל בכמויות רבות אל הכנרת ופגע באיכות מימיה. הכבול היבש התגלה כקרקע קשה לעיבוד, התכווץ וגרם לשקיעת הקרקע, הורם והוסע על ידי הרוחות המזרחיות ופוזר ברחבי הגליל, ואף בער לא אחת במשך שבועות. אובדן מקור הלחות הגדול הביא להקצנה בחום בקיץ ובקור בחורף, ועם האגם והביצות נהרסו רוב נופי המים על החי והצומח הייחודיים להם, כולל מספר מינים נדירים שזה היה אזור תפוצתם היחיד בארץ ישראל.
בעקבות זאת, הוחל בראשית שנות ה-90 של המאה ה-20 בהצפת חלקים מהעמק מחדש, בתהליך מבוקר המנוהל על ידי קרן קיימת לישראל בשיתוף רשות הניקוז וגופים נוספים. ההצפה היא באזורים שהיו בעבר חלק מהביצה, ויצרה את גוף המים המלאכותי הקרוי אגמון חולה. ההצפה הביאה להופעתם מחדש של עופות נודדים רבים, שמיעטו לבוא לעמק לאחר הייבוש, כגון להקות עגור אפור הפוקדות את אגמון חולה וסביבתו בסתיו ובאביב. קיימות תוכניות שונות באשר לעתיד העמק, בהן כאלה המבקשות לשחזר את נופי האגם והביצה להפוך את האזור כולו למוקד תיירות ייחודי.
טבע.
פלורה.
בהיותו עמק צר ומוקף הרים, עשיר במים ובקרקע פורייה ובעל אקלים חם בקיץ וקר בחורף, עשיר עמק החולה במגוון רחב של מיני צמחים מאזורי אקלים שונים. על אף היותו חלק מחבל הצומח הים-תיכוני בארץ ישראל, יש בו ייצוג למינים הן מהאזור הסודאני (צמחי סביבות חמות ולחות), שלחלקם זוהי נקודת התפוצה הצפונית ביותר, והן מהאזור האירו-סיבירי, שלחלקם זו נקודת התפוצה הדרומית ביותר. בשולי העמק ובמדרונות ההרים מעליו יש גם נציגים של האזור האירנו-טורני, צמחים של סביבה יבשתית קיצונית שמוצאם ממרכז אסיה.
סביב האגם והביצות התפתחו חגורות של חברות צומח מגוונות: באזורי המים העמוקים שלטו צמחי מים, חלקם טבולים לחלוטין במים ובחלקם צפים העלים מעל לפני המים והפרחים מזדקרים מעליהם. בין הצמחים הטבולים ניתן למנות מיני נהרונית וקרנן, ובין הטבולים למחצה בולטים נופר צהוב, נימפאה תכולה ונימפאה לבנה. בגדות האגם שלטו צמחי קנה מצוי וסוף מצוי, ומרבית שטח הביצות היה מכוסה בגומא הפפירוס. בשטחים מרוחקים יותר מהמים צמחו טיון דביק וסמר, צמחים המעידים על קיום מי תהום בסמוך לפני הקרקע.
בגדות הנחלים הגבוהות ובתעלות הניקוז שולטים הפטל הקדוש, השנית הגדולה והערברבה השעירה, אשר שרשיהם יכולים להעמיק מטרים אחדים עד למפלס מי התהום. לאורך שלושת מקורות הירדן התפתחה צמחייה גבוהה יותר, הכוללת עצי דולב מזרחי, מילה סורית, ערבה לבנה וצפצפת הפרת.