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日本国内における気候区分では23区から多摩東部および伊豆諸島までは太平洋側気候、多摩西部などは中央高地式気候に属する。小笠原諸島は南日本気候である。特徴としては、四季の変化が明瞭であり、天気が日によって変化しやすい。夏季は高温・多雨となり、冬季は晴れて乾燥する日が多い。ケッペンの気候区分では東京都全体が温暖湿潤気候に分類されるが、あくまで世界基準の分類であるため、東京都の多様な気候を十分に説明できていない。例えば、都心部と西部の山岳地帯とでは気温や降水量の差が大きく、一概に温暖湿潤気候と言い切ることは難しい。
春は、天気は周期変化で、晴れる日が多いが、発達した低気圧が通過して天気が崩れることもある。寒冷渦の影響で雷雨になる時もある。梅雨の時季には梅雨前線に覆われ雨の降りやすい天気が続く。前半は弱い雨が中心だが、後半は強い雨が降りやすい。まれに空梅雨の年もある。夏は、太平洋高気圧に覆われて、晴れて湿度が高く暑い日が多く、雷雨も発生しやすい。ただし年によってはオホーツク海高気圧の影響で曇りや雨のぐずついた天気になる場合もある。
秋は、前半は秋雨前線の影響で雨が降りやすくなる。また台風が通過して暴風雨となることもある。後半は天気は周期変化となり、晴れる日が多い。冬は、西高東低の冬型の気圧配置になりやすく、晴れて空気が乾燥する日が多い。統計上では1年間で12月24日が東京で最も晴れの確率が高い日となっている。2月から3月にかけては南岸低気圧が通過しやすくなり、都心では数センチメートル程度の積雪となることがある。ただし、多摩地方では20センチメートル以上の積雪となることもある。雪が積もると交通機関の運行が乱れることもある。気象庁露場のあった大手町付近の観測によると、日本全国で最もヒートアイランドの影響が大きい。1920年代には年間70日程度観測されていた冬日は少なくなり、熱帯夜の日数は3倍以上に増加している。また、冬場は南九州の鹿児島市や宮崎市よりも最低気温が高くなることもあった。那覇市を除いた全国の都道府県庁所在地の中では、横浜市、千葉市、神戸市、大阪市などと並び最低気温が最も高くなることも珍しくなかった。一方、内陸寄りにある練馬区のアメダス観測地域では冬日は珍しくなく、新宿区や渋谷区などの都心部でも冬日の観測はよく見られる。また、気象観測所のある千代田区内においても大手町付近と気象庁露場の移転した北の丸公園とでは冬場の最低気温に違いが見られ、2012年（平成24年）1月の平均最低気温は大手町1.8℃に対し北の丸公園は0.4℃であり、冬日の日数では大手町3日に対し北の丸公園は11日である。これは、1月の気温に関しては練馬よりの気温である。これらの要因から、同じ都区内でも練馬区など内陸よりの郊外と中央区や千代田区などの臨海部との気温差が大きいことがわかる。さらに、江戸川区の沿岸部にも江戸川臨海という名でアメダスが設置されており、そこも大手町よりも冬の最低気温が低くなることが多く、冬の大手町のヒートアイランド現象が極めて著しいことを表しているが、東京都区部の天気予報で表示される気温はあくまで大手町の露場の気温が基準となっていた。
都心部 - ヒートアイランドが顕著で、夏は日中も暑くなるが、夜の気温がとても高い。近年は温暖化が進み、熱帯夜が徐々に増えてきている。大手町時代だった2013年（平成25年）8月11日には最低気温30.4℃を記録した。冬の最低気温も高いが、北の丸公園移転後は大手町時代に比べて、年間の冬日が少し多くなっている。
臨海部 - 羽田空港、お台場、葛西臨海公園などといった首都高速湾岸線沿いは東京湾に面しているため気温の年較差が小さい。夏の最高気温は都心よりも低く、冬の最低気温はそれより高く、冬日になることは珍しい。東京ディズニーリゾートがある千葉県浦安市も同様の気候となる。
城南地域 - 基本的に都心とあまり変わらない。
城東地域 - 足立区、葛飾区、江戸川区。都心とほぼ同じだが、冬の最低気温は都心よりも低くなることが多い。
城西、城北地域 - 世田谷区北・西部、杉並区、練馬区、北区北部などの地域は内陸部に位置しているため、都心とは異なり、内陸性気候となる。夏は暑さが厳しく、38℃前後まで上がることもある。反対に冬は放射冷却が強く、-5℃前後の冷え込みになることもある。北関東の前橋市よりも低くなることも少なくはない。また、都心が冷たい雨でも、当地域は雪になることが多い。2014年（平成26年）2月の大雪では、50から60cm前後の積雪になった場所が多かった。
多摩地方
→詳細は「多摩地区」を参照
- 内陸性気候のため、冬場の最低気温に東京都区部とは非常に大きな違いがある。府中の1月の平均最低気温は−0.7℃、青梅で−2.3℃、八王子で−1.8℃、奥多摩では−2.4℃と氷点下まで下がり、都心部との気温差が5度以上になることも珍しくない。また、冬には南岸低気圧によって、大雪をもたらすこともあり、20センチメートル以上の積雪となることも多い。都心部が霙や雨でも気温が低い多摩地方では雪になることが多い。特に奥多摩町や檜原村、青梅市山間部などの多摩西部では11月ごろから雪が降ることもある。
伊豆諸島 - 海洋性気候で、年間を通じて寒暖の差は小さい。真冬の平均気温は7℃から10℃前後と温暖な気候であるが、最も北に位置する伊豆大島では積雪することもあり、東京都心部より冷え込むことも珍しくない。より南にある八丈島や三宅島はより温暖である。
小笠原諸島 - 日本の気候区分では南日本気候に属し、年間を通じて温暖である。南鳥島はケッペンの気候区分ではサバナ気候に属し、年間平均気温が25.4度と日本で最も高い地域である。また、日本国内では北海道と共に梅雨が無い地域である。
| 平年値 (月単位)> 平年値 (月単位).平年値 (月単位).平年値 (月単位) | 平年値 (月単位)> 平年値 (月単位).平年値 (月単位).平年値 (月単位) | 23区> 東部.江戸川区 臨海町.江戸川区 臨海町 | 23区> 西部.千代田区 北の丸公園.千代田区 北の丸公園 | 23区> 西部.大田区 羽田.大田区 羽田 | 23区> 西部.練馬.練馬 | 23区> 西部.世田谷.世田谷 | 多摩> 北部.府中.府中 | 多摩> 南部.八王子.八王子 | 多摩> 西部.青梅.青梅 | 多摩> 西部.奥多摩町 小河内.奥多摩町 小河内 | 多摩> 西部.檜原村 小沢.檜原村 小沢 | 大島> 大島.大島町 大島.大島町 大島 | 新島> 新島.新島村 新島.新島村 新島 | 三宅島> 三宅島.三宅村 三宅島.三宅村 三宅島 | 八丈島> 八丈島.八丈町 八丈島.八丈町 八丈島 | 小笠原諸島> 小笠原諸島.小笠原村.父島 | 小笠原諸島> 小笠原諸島.小笠原村.南鳥島 |
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| 気候区分 | 気候区分 | Cfa | Cfa |  | Cfa |  | Cfa | Cfa | Cfa | Cwa |  | Cfa | Cfa | Cfa | Cfa | Cfa | Aw |
| 平均 気温 (°C) | 最暖月 | 26.7 (8月) | 26.9 (8月) | 27.4 (8月) | 27.8 (8月) |  | 26.8 (8月) | 26.4 (8月) | 25.9 (8月) | 23.5 (8月) |  | 26.0 (8月) | 26.8 (8月) | 26.6 (8月) | 26.5 (8月) | 28.0 (8月) | 28.5 (7, 9月) |
| 平均 気温 (°C) | 最寒月 | 6.0 (1月) | 5.4 (1月) | 6.3 (1月) | 4.8 (1月) |  | 4.5 (1月) | 3.4 (1月) | 3.2 (1月) | 1.5 (1月) |  | 7.5 (1月) | 8.9 (1月) | 9.9 (1月) | 10.1 (1月) | 18.1 (2月) | 21.8 (2月) |
| 降水量 (mm) | 最多月 | 205.7 (10月) | 234.8 (10月) | 204.9 (9月) | 263.9 (9月) | 236.2 (10月) | 246.7 (9月) | 264.4 (9月) | 234.2 (8月) | 270.2 (9月) | 280.6 (9月) | 405.2 (10月) | 282.0 (6月) | 418.9 (10月) | 479.1 (10月) | 151.9 (5月) | 177.1 (8月) |
| 降水量 (mm) | 最少月 | 50.1 (1月) | 56.5 (2月) | 51.0 (1月) | 39.6 (2月) | 60.4 (2月) | 52.4 (2月) | 46.1 (2月) | 44.6 (12月) | 43.7 (12月) | 45.1 (12月) | 117.6 (12月) | 101.4 (1月) | 150.9 (1月) | 169.5 (8月) | 51.6 (2月) | 43.4 (2月) |
| 降水 日数 (日) | 最多月 | 11.7 (6月) | 11.6 (6月) | 11.4 (6月) | 12.6 (7月) | 12.1 (9月) | 12.5 (6月) | 12.7 (6月) | 12.3 (9月) | 14.7 (7月) | 14.1 (7月) | 12.0 (9, 10月) | 12.2 (6月) | 14.1 (3月) | 16.5 (10月) | 11.4 (10月) | 14.2 (8月) |
| 降水 日数 (日) | 最少月 | 4.9 (1月) | 4.5 (1月) | 4.9 (1月) | 3.9 (2月) | 5.0 (1月) | 4.9 (1月) | 4.5 (1月) | 4.3 (1月) | 4.5 (12月) | 4.6 (12月) | 7.1 (1月) | 8.2 (8月) | 8.9 (8月) | 10.5 (7月) | 6.9 (2月) | 5.6 (6月) |