Nordlige Central Valley har et varmt middelhavsklima, mens de sørligere områdene i regnskygge er tørre nok til å være steppe eller ørken (som rundt Bakersfield). Somrene er svært varme og tørre, vintrene kjølige og fuktige, med hyppig tåke kjent som «tule tåke». Sommertemperaturene overstiger ofte 38 °C, og hetebølger kan nå over 46 °C. Regnsesongen varer fra midten av høsten til midten av våren, men om sensommeren kan sørlige vinder bringe tropiske tordenvær, spesielt i San Joaquin Valley. Den nordlige delen av dalen får mer nedbør enn den halvtørre sørlige delen. Frost forekommer om høsten, mens snø er svært sjeldent.