İstanbul'un iklimi, Karadeniz iklimi ile Akdeniz iklimi arasında geçiş özelliği gösteren ılıman bir iklimdir. Yazları sıcak ve nemli; kışları soğuk, yağışlı ve bazen karlıdır.
Kış aylarında ortalama sıcaklık 2 °C ile 9 °C civarındadır ve genellikle yağmur ile karla karışık yağmur görülür. Kış aylarında bir iki hafta kar yağabilir. Yaz aylarında ise ortalama sıcaklık 18 °C ile 28 °C civarındadır ve genellikle yağmur ile sel görülür.
En sıcak aylar Temmuz ve Ağustos (ortalama 23 °C), en soğuk aylar ise Ocak ve Şubat (ortalama 5 °C) aylarıdır. İstanbul'da yılın ortalama sıcaklığı 13,7 derecedir.
Toplam yıllık yağış 843,9 mm olup tüm yıl boyunca görülür. Yağışların %38'i kış, %18'i ilkbahar, %13'ü yaz ve %31'i sonbahar mevsimindedir. Yaz en kuru mevsimdir, ancak Akdeniz iklimlerinin aksine kurak mevsim yoktur. İstanbul'da 1994 yılına kadar susuzluk çekilmiş, ancak alınan önlemlerle (Melen projesi dahil) herhangi bir su sıkıntısı kalmamıştır.
Şu ana kadar en yüksek hava sıcaklığı 12 Temmuz 2000'de 40,5 °C, en düşük hava sıcaklığı ise 9 Şubat 1929'da -16,1 °C olarak kaydedilmiştir. Şehir oldukça rüzgârlıdır ve rüzgârın ortalama hızı saatte 17 km'dir.