衡水属大陆季风气候区,为温暖半干旱型。气候特点是四季分明,冷暖干湿差异较大。夏季受太平洋副高边缘的偏南气流影响,潮温闷热,降水集中,冬季受西北季风影响,气候干冷,雨雪稀少,春季干旱少雨多风增温快,秋季多秋高气爽天气,有时有连阴雨天气发生。衡水市年降水量为56.6亿立方米,平均降水量为642.1毫米,比多年平均降水量(522.5毫米)多119.6毫米。流经衡水境内的较大河流有潴龙河、滹沱河、滏阳河、滏阳新河、滏东排河、索泸河-老盐河、清凉江、江江河、卫运河-南运河9条,分属海河水系的4个河系。其中潴龙河属大清河系,滹沱河、滏阳河、滏阳新河属子牙河系,滏东排河属南大排水河系,索泸河-老盐河、清凉江、江江河属南大排水河系,卫运河-南运河属漳卫南运河系。据第二次土壤普查,衡水市共有3个土纲,4个土类,7个亚类,26个土属,111个土种。面积最大为潮土土类。全市潮土亚类面积43万公顷,占土地总面积的62%,广泛分布于各县市区,是农用土地主要土壤类型。其土层深厚,质地多变,但以轻壤土为主,部分为砂质和粘质。土壤矿质养分较为丰富,但有机质、速效氮、磷养份缺乏,易受旱、涝、盐碱化威胁,历年以种植业为主。脱潮土面积14万公顷,占全市土地总面积的20.4%,广泛分布于古河道自然堤缓岗及高平地处。该土类地下水质好,无洪涝盐碱威胁,水利条件好的地段,多是粮、棉高产区。根据2006年河北省土地调查统计年鉴,衡水市土地总面积为1325.7万亩。其中耕地856.3万亩,占全市土地总面积的64.6%,耕地中有旱地296.7万亩、水浇地550.3万亩、菜地9.3万亩,分别占耕地总面积34.7%、64.3%、1.0%;园地80.0万亩,占土地总面积的7.7%;林地18.9万亩,占土地总面积1.8%;牧草地1.2万亩,占土地总面积0.1%;居民点及工矿用地181.3万亩,占13.7%;交通用地10.3万亩,占土地总面积0.8%;未利用土地47.3万亩,占土地总面积3.6%。截至2006年,衡水市已查明的矿产资源有油气、地热、矿泉水和砖瓦用粘土资源等4个矿种。