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神农架位于中纬度北亚热带季风区，气温偏凉而且多雨，年平均气温为12度，年降水量900毫米至1000毫米。
由于一年四季受到湿热的东南季风和干冷的大陆高压的交替影响，以及高山森林对热量、降水的调节，神农架形成了夏无酷热、冬无严寒的宜人气候。当神农架保护区域外的城乡夏季普遍是高温时，神农架却是一片清凉的世界。
神农架的气候，随海拔每上升100米，气温低一度左右，季节相差三天至四天。随海拔增高，渐次迭现暖温带、中温带、寒潮带等多种气候类型。境内不同地点的温度，从冬季最低零下20度至夏季最高温37度。9月底至次年4月为神农架的冰霜期。
“山脚盛夏山顶春，山麓艳秋山顶冰，赤橙黄绿看不够，春夏秋冬最难分”是神农架气候的真实写照。神农架立体小气候明显，“东边日出西边雨”的现象常有发生。其气候时空变化较大，有“6月雪，10月霜，一天有四季”之说。