朝阳区属温带大陆型半湿润季风气候，四季分明，降水集中。春季干燥多风，昼夜温差较大；夏季炎热多雨；秋季晴朗少雨，冷暖适宜，光照充足；冬季寒冷干燥，多风少雪。年平均气温11.6℃，最冷月1月份平均气温4.6℃，最热月7月平均气温25.9℃，年无霜期192天；年平均降水量581毫米（1971-2000年），夏季降水量占全年的75%。1998年以来，气候暖干化明显，连年干旱。
全年日照辐射总量为134.24千卡、平方厘米，生理辐射量约占全年辐射总量49%。全年日照时数共2841.4小时，以5月份最多，有279.1小时；6月份次之，有277.3小时。 朝阳区地处北京市排水尾间，河湖水系众多。朝阳区地表水属海河流域北运河水系。北运河水系是唯一发源于北京的水系，其上游有温榆河、通惠河、凉水河等支流。朝阳区北部大致以清河为界，东北部大致以温榆河为界。坝河与南来的亮马河、北来的北小河相交后汇入温榆河。凉水河、萧太后河、通惠灌渠等局部河段流经朝阳区南部。朝阳区内河流总长度为151公里，另有110条中、小排水沟，总长度320公里。区内有朝阳公园湖、窑洼湖、红领巾湖、高碑店湖等湖泊以及鱼塘、水池洼地共约70多处，总面积980公顷。
朝阳区的主要河流的基本流向为：温榆河源于北京北部山区，自昌平区流入朝阳区，再经过通州注入北运河，是北运河重要水源之一。温榆河是区境东北部的边界河流，自上辛堡至坝河与温榆河会合处，长22公里。清河是温榆河的支流，源于海淀区的西部山区，穿过京昌高速公路流入朝阳区，在上辛堡汇入温榆河。坝河源于东北护城河的分流，经太阳宫、将台、东坝等乡，在沙窝村注入温榆河，也是温榆河的支流。北小河及亮马河是坝河的支流。通惠河位于朝阳区中部偏南，流向大致与京通快速路平行，是京杭大运河最北的人工河道。1292年在元代水利专家郭守敬的建议、规划、监督下，开凿了北京到通州的运河。通惠河西起东南城角角楼（东便门）附近，经庆丰闸、高碑店闸、花园闸、双桥闸、八里桥，注入北运河，该河在元、明、清三朝曾是南方粮食漕运到北京的重要河道。
朝阳区有较为丰富的地下水，除来广营、金盏一带是弱富水区（1000平方米/日）外，全区大部分地区是较富水区（1000—2000立方米/日）。地下水含水层分布有一定规律，含水层多埋藏在地面20米以下，最大厚度70米。五路居、大黄庄一带的厚度在50米以上，全区大部分厚度在20-35米之间，水位变幅在10米上下。
