Климат Южно-Сахалинска — умеренный муссонный, с морозной, ясной зимой и влажным, душным летом. Средняя температура января составляет −12,2 °C (абсолютный минимум −36,2 °C зафиксирован в 1961 году), а августа — +17,3 °C (максимум +34,7 °C в августе 1999 года). Лето неустойчиво, часто сопровождается ливнями, приносимыми тайфунами, при этом возможны периоды жары свыше 30 °C. Осень наступает во второй декаде сентября и радует сухой, ясной погодой, но уже в октябре начинаются первые заморозки. В истории города наблюдались значительные аномалии: аномально тёплые осень и зима 1990–1991 годов (побито 6 месячных рекордов подряд), жаркие августы 2005–2007 годов и рекордно тёплое лето 2010 года. Эти явления часто связывают с выносом тёплого воздуха из Китая и Японии под действием циклонов.