Den gjennomsnittlige årlige temperaturen i Tbilisi er 13,3 °C. Januar er den kaldeste måneden med en gjennomsnittstemperatur på 2,3 °C. Juli er den heteste måneden med en gjennomsnittstemperatur på 24,9 °C. Dagstidens høyeste temperaturer når 32 °C eller mer i gjennomsnitt 22 dager i løpet av et typisk år. Den absolutte minimum registrerte temperaturen er −24,4 °C i januar 1883, og det absolutte maksimumet er 42,0 °C den 17. juli 1882. Mai er den våteste måneden (gjennomsnittlig 77,6 mm nedbør) mens januar er den tørreste (gjennomsnittlig 18,9 mm nedbør). Snø faller i gjennomsnitt 15–25 dager per år. De omkringliggende fjellene fanger ofte skyene i og rundt byen, hovedsakelig i løpet av våren og høstmånedene, noe som resulterer i langvarig regnfullt og/eller overskyet vær. Nordvestlige vinder dominerer i de fleste deler av Tbilisi gjennom hele året. Sørøstlig vind er også vanlig.