På grunn av byens beliggenhet høyt over havet og relativt langt mot nord, avstanden på hundrevis av kilometer til nærmeste kyst, og effekten av sibirhøytrykket, er Ulan Bator den kaldeste hovedstaden i verden. Den har et monsunpåvirket, kontinentalt og kaldt steppeklima (Köppens klimaklassifisering: ) med korte, varme somre og lange, svært kalde og tørre vintre. Den årlige nedbørmengden på oppimot 216 millimeter er tungt konsentrert i de varme månedene. Ulan Bator har en årsmiddeltemperatur på –2,4 grader celsius. Byen ligger i en sone med diskontinuerlig permafrost, noe som fører til byggeproblemer fordi telen smelter på solsiden, men ikke på skyggesiden av bygninger. Innbyggere i forstedene bor i tradisjonelle jurter som ikke stikker ned i bakken.