Santa Barbara har et middelhavsklima (Köppens klimaklassifisering: Csb) med varme, tørre somre og milde, noe våtere vintre. Klimaet er representativt for det som finnes i kystområdene i hele Sør-California, og pålandsvinder modererer temperaturen i forhold til hva som er tilfellet lenger inn i landet. Om vinteren treffer ofte stormsentre California-kysten, som ofte fører til mye nedbør. Lokalt skaper de bratte Santa Ynez-fjellene dalbriser, og Santa Barbara opplever derfor noe mer nedbør enn andre omkringliggende kystområder. Like fullt teller Santa Barbara omkring 300 soldager i året.