Воронеж расположен в зоне умеренного климата. Здесь ярко выражена сезонность. Летние заморозки при этом исключены, а климатическое лето охватывает и первую половину сентября, а в последнее время и часть октября. Среднее количество солнечных дней в Воронеже (158), хотя и ниже, чем в азиатских городах России и СНГ (Чита — 284, Алма-Ата — 282)[1].
Зима, как правило, теплая. Часто бывают оттепели. Активный западный перенос воздушных масс способствует тому что в декабре и первой половине января вместо снега иногда идут дожди. Зимний период в Воронеже продолжается 121 день: среднесуточная температура воздуха опускается ниже нуля 18 ноября, последний зимний день приходится на 18 марта[2]. В среднем за календарную зиму по климатической норме 1961—1990 годов в городе наблюдается 27 дней с оттепелью (30 % от продолжительности календарной зимы), что в 1,5 разa или на 9 дней больше, чем в Москве. Вслед за этим, с переходом среднесуточной температуры через 0 °C начинается весна. Каждый год на протяжении 2—7 дней бывают морозы ниже -20°C.
Bесна
Апрель характеризуется неустойчивой погодой. В отдельные дни месяца температура может достигать +20°C и выше, однако в любой день может похолодать. Средняя суточная температура воздуха выше +5°C устанавливается в среднем 4 апреля и достигает +10 °C 20 апреля. В среднем ночные заморозки в окрестностях городa завершаются 26 апреля (для сравнения в Москве — 8 мая, в Казани — 28 мая). Май может начаться с ночных заморозков, однако во второй половине месяца температура может подняться до +30 °C[3].
Лето
Лето тёплое. Июнь бывает дождлив и прохладен, но июньские заморозки в окрестностях города случаются не чаще чем раз в столетие (для сравнения в Московской области — раз в 17 лет)[4]. В июле-августе устанавливается жаркая и сухая погода. Это происходит при формировании антициклона: Воронеж легко могут достигнуть жаркие воздушные массы из Казахстана или Северной Африки. В этом случае дневная температура может превысить +30 °C, а в отдельных случаях и 35 °C. Средняя продолжительность климатического лета (с периодом среднесуточных температур выше +15 градусов) составляет 121 день. Начинается лето в среднем 13 мая, уже с 27-го июня среднесуточная температура переваливает через +20 °C, а спадает ниже 18-го августа. Последний день летнего периода приходится на 11 сентября[2].
Хотя средняя температура июля составляет около +20 °C, реальная средняя температура превышает этот показатель уже в июне, а в июле средняя дневная температура может превысить 30 °C. Так, например, средняя температура 28 июля 2010 года составила +31,2 °C, что является абсолютным рекордом за последние несколько лет, в этот же день дневная температура достигла +39 °C, а 2 августа 2010 года температура достигла +40,5 °C, что является новым абсолютным рекордом города.[5][6]
Осень
Первые заморозки начинаются в среднем 7 октября, примерно на неделю позже чем в Москве[7]. Осень тёплая, устойчивые заморозки начинаются лишь после 10 ноября. Среднесуточная температура опускается ниже +10 °C 5 октября и ниже +5 °C — 27 октября. Первый снег наблюдается обычно не ранее 15 октября. При этом устойчивый снежный покров устанавливается лишь к концу декабря. Положительная среднесуточная температура держится в среднем вплоть до 17 ноября, после чего наступает зима[2].
В конце XIX века в городе было несколько метеорологических станций[8]. В истории города ими были зарегистрированы необычные факты, связанные с погодой. Например, в 1848 году воронежцы наблюдали северное сияние[9][10].