Afyonkarahisar, Ege Bölgesi’nde yer almasına rağmen, coğrafi olarak İç Anadolu Bölgesi’ne geçiş koridorunda bulunuyor. Bu sebeple, bölgenin iklimi Ege iklimiyle uyumsuz ve daha çok İç Anadolu’na özgü bir yapıya sahip. Yükselti ve denizden uzaklık gibi faktörler, Afyonkarahisar’ın iklimini etkileyerek, tam anlamıyla karasal bir iklim ortaya çıkarıyor. Ancak, Akdeniz ve Ege Denizi’nden gelen hava akımları, bölgedeki iklimi hafifçe yumuşatıyor.
Afyonkarahisar’ın iklimi yazları sıcak ve kurak, kışları soğuk ve kar yağışlı, baharları ise ılık ve yağışlı olarak tanımlanıyor. Özellikle ilkbahar ve sonbahar yağışları daha yoğun olurken, yaz aylarında yağış miktarı oldukça azalmaktadır. Yağışların en fazla olduğu dönem ise Nisan ve Mayıs aylarıdır. Buna karşın, yaz aylarında özellikle Temmuz ve Ağustos aylarında yağış miktarı minimum seviyeye düşer. Yağışların az olmasındaki başlıca etkenler, bölgenin denize uzaklığı ve nem oranının düşük olmasıdır.
Afyonkarahisar’ın 1014 metre yüksekliğe sahip olan kent merkezinin yıllık ortalama sıcaklığı 11.2°C’dir. En soğuk ay olan Ocak ayında sıcaklık ortalaması 0.3°C’ye düşerken, en sıcak ay olan Temmuz’da ise 22.1°C’dir. Şehirde kaydedilen en düşük sıcaklık, 30 Aralık 1948 tarihinde -27.2°C olarak ölçülmüştür. En yüksek sıcaklık ise 29 Temmuz 2000 tarihinde 39.8°C ile kaydedilmiştir.
Afyonkarahisar’da sıcaklık farkları oldukça yüksek olup, yıl boyunca sıfır derecenin altına düşen günlerin sayısı ortalama 89’dur. Özellikle kış aylarında kar yağışları görülürken, yazın kuraklık ve sıcaklık dikkat çeker. İl genelindeki yıllık yağış ortalaması ise 444 mm civarındadır. Yazın, özellikle Ağustos ayında görülen sağanak yağışlar, bazen yerel anlamda olumsuz sonuçlar doğurabilmektedir.
Bölgenin rüzgar yön ve hızları da iklim üzerinde etkili faktörlerden biridir. Kışın, topoğrafik koşullara bağlı olarak kuzey ve güney yönlü rüzgarlar etkili olurken, yazın ise Anadolu üzerinde etkili olan alçak basınç nedeniyle kuzey yönlü rüzgarlar görülmektedir. Afyonkarahisar’daki en kuvvetli rüzgar ise 13 Aralık 1967 tarihinde 129,6 km/saat hızında ölçülmüştür.
Afyonkarahisar’da meteorolojik gözlemler, 1929 yılından itibaren yapılmaktadır. İlk başta sadece bir adet meteoroloji istasyonu bulunurken, son yıllarda il genelinde başta ilçe merkezleri olmak üzere 43 adet Otomatik Meteoroloji Gözlem İstasyonu (OMGİ) kurulmuştur. Ayrıca, hava olaylarına karşı erken uyarılar yapmak amacıyla, Afyonkarahisar Şuhut Kumalar Dağı’na Meteoroloji Radarı ve Afyonkarahisar Havaalanı’na Havaalanı OMGİ (H-OMGİ) kurulmuştur. Yıldırım olaylarıyla ilgili veri toplamak için ise Yıldırım Tespit ve Takip Sistemi (YTTS) devreye alınmıştır.