چهره عمومی شهرستان اردبیل متأثر از ارتفاعات کوهستان‌های سبلان، طالش و بزغوش است که این عوامل طبیعی سبب محصور شدن آن شده‌اند. بیشتر زمین‌های این بخش از استان 2000 تا 3000 متر از سطح دریا ارتفاع دارند. شمال غربی آن بین 3000 تا 4000 متر بلندی دارد و رشته کوه سبلان با 4811 متر ارتفاع، در این قسمت واقع است. وجود کوهستان سبلان در غرب این شهرستان، در اعتدال هوای آن نقش عمده‌ای دارد و آب‌های جاری شده از این کوهستان سبب آبادی منطقه شده است.
آثار فرعی آتشفشان سبلان به صورت چشمه‌های معدنی آب گرم سرعین و سردابه ظاهر شده است که سبب جذب انبوه مسافران می شود و یکی از زیباترین مناطق جهانگردی استان است.
براساس تقسیم‌بندی کوسن، شهرستان اردبیل دارای چهار اقلیم مدیترانه‌ای گرم، مدیترانه‌ای معتدل، کوهستانی سرد و معتدل است. این شهرستان به عنوان یکی از مناطق سردسیر ایران و استان بین پنج تا هشت ماه از سال سرد است. بارندگی نیز در تمام فصول وجود دارد، ولی شدت آن در بهار و پاییز بیشتر است.
براساس گزارش ایستگاه هواشناسی اردبیل که در ارتفاع 1372 متری واقع شده، بارندگی این شهر در سال 1372 برابر 327/7 میلی‌متر گزارش شده است. این شهرستان دارای زمستان‌های بسیار سرد و تابستان‌های معتدل است. متوسط درجه حرارت آن در حدود هفت درجه سانتی‌گراد است. وجود کوهستان‌های سبلان، طالش و بزغوش، تأثیر بخارهای دریای خزر و بادهای سرد شمالی و وجود جنگل‌های شمال و شرق آن در میزان بارندگی و نوسان دمای شهرستان اردبیل بسیار مؤثر است.
شهرستان بیله‌سوار با ارتفاع متوسط 120 متر و 1721/3 کیلومترمربع گستره‌ای پهناور از دشت مغان را تشکیل می‌دهد.
آب و هوای بیله‌سوار در تابستان‌ها گرم و در دیگر فصل‌ها به ویژه در زمستان‌ها معتدل و مطبوع است. بیله‌سوار به علت نزدیکی به دریای خزر و ارتفاع کم، در ردیف مناطق نیمه مرطوب به حساب می‌آید. از این‌رو، همه منطقه را مراتع سرسبز و خرم قشلاقی پوشانیده است. در تابستان به علت شدت گرما و کمبود علوفه، دامداران و عشایر ایل سئون به سوی ییلاق‌های کوهستان سبلان و ارسباران کوچ می‌کنند.
شهرستان پارس‌آباد در جلگه‌ای صاف و هموار قرار دارد و تنها ارتفاع چشمگیر آن «تپه نادر» در غرب آن است که در سال 1148 هجری قمری محل تاجگذاری نادرشاه افشار در دشت مغان بود.
این شهرستان دارای آب و هوای معتدل تا گرم است. تابستان‌های آن بسیار گرم و زمستان‌های آن معتدل و مطبوع است. بارندگی در پارس‌آباد تحت تأثیر جریان‌های دریای خزر و توده هوای سیبری و سرد شمالی است. میانگین بارندگی آن 462 میلی‌متر است که به سبب کمی ارتفاع، زمستان‌های آن ملایم و درجه حرارت آن تا صفر درجه پایین می‌آید.
شهرستان خلخال منطقه‌ای کوهستانی است که رشته‌کوه‌های طالش در بخش شرقی، کوه‌های بزغوش در غرب و قراول داغ در جنوب آن قرار گرفته است. کوهستان جنگلی و بلند طالش در شرق خلخال از شمال به جنوب کشیده شده و مانند سدی بین دریای خزر و استان گیلان و آذربایجان شرقی است، که باران‌های خزری در دامنه شرقی آن می‌بارند و سبب طراوت کوهستان و به وجود آمدن جنگل‌ها می‌شوند.
در جبهه غربی کوه‌های طالش (منطقه خلخال) که نسبت به جبهه شرقی آن، با کمبود باران و تغییر آب و هوا روبرو است، جنگل وجود ندارد. بلندترین قله‌های کوهستان طالش «ناو» و «الماس» است.
وجود کوه‌های دیوار مانند، راه‌های ارتباطی خلخال را بسیار دشوار رو کرده است. مهم‌ترین گردنه خلخال، گردنه ناو است که در مسیر جاده ارتباطی خلخال به هشتپر و اسالم واقع شده است و از داخل جنگل‌های طالش، به جاده رشت - آستارا متصل می‌شود.
براساس تقسیم‌بندی کوسن، شهرستان خلخال دارای سه اقلیم مدیترانه‌ای خشک و گرم، مدیترانه‌ای گرم و مدیترانه‌ای معتدل است. به علت کوهستانی بودن منطقه, میزان بارندگی آن از سالی به سال دیگر متفاوت است.
براساس داده‌های ایستگاه فیروزآباد خلخال که در ارتفاع 1090 متری قرار دارد، میزان بارندگی آن در سال 1372 در حدود 435 میلی‌متر بود. شهرستان خلخال دارای تابستان‌های معتدل و زمستان‌های سرد است. ارتفاعات شرقی و کوهستان طالش سرد و پربرف و کنار رود قزل‌اوزن گرم و مرطوب است. طول مدت سرمای این شهرستان بیش از پنج ماه است و برف سنگین زمستانی سبب بسته شدن جاده اسالم به خلخال در محور کوهستان طالش می‌شود.
شهرستان گرمی در میان دو رشته کوه کم ارتفاع واقع شده است و ارتباط دشت مغان را با سایر شهرهای همجوار مانند اردبیل و مشگین‌شهر برقرار می‌سازد. در شمال و غرب گرمی ارتفاعات خروسلو مربوط به دوره میوسن، از غرب به شرق کشیده شده و در شرق آن، ارتفاعات موران به بلندی 100 متر قرار دارد.
آب و هوای گرمی در تابستان‌ها نامساعد و در زمستان‌ها ملایم و مطبوع است. میزان بارندگی متوسط سالانه آن 300 میلی‌متر گزارش شده است. دمای هوا در گرم‌ترین ماه (مرداد) 38/5 درجه و در سردترین ماه (بهمن) 4/1 درجه سانتی‌گراد است.
شهرستان مشگین‌شهر در دامنه کوهستان سبلان واقع شده و دارای ویژگی‌هایی بارز است که برف‌های دائمی و چشمه‌های معدنی ناشی از وجود توده آتشفشانی سبلان از آن جمله است. این شهرستان به صورت دشتی گسترده است که با شیب تند به زمین‌های پست شمالی منتهی می‌شود. مرتفع‌ترین و پرشیب‌ترین قسمت این شهرستان بخش جنوبی آن، یعنی دامنه‌های شمالی و شمال غربی توده‌های آتشفشانی سبلان است که به طور متوسط 2000 متر از سطح دریا ارتفاع دارد. قسمت شمالی و غربی آن 100 تا 1000 متر ارتفاع دارد و بقیه زمین‌ها مسطح است و با شیبی ملایم در جهت شمال و شمال شرقی به دشت مغان منتهی می‌شود.
براساس تقسیم‌بندی کوسن، این شهرستان دارای چهار اقلیم مدیترانه‌ای گرم و خشک، مدیترانه‌ای معتدل، استپی سرد و کوهستانی سرد است. طول ماه‌های خشک و نیمه‌خشک و یخبندان آن پنج تا هشت ماه است و میزان بارندگی سالانه آن به طور متوسط 300 میلی‌متر است. قسمت عمده پوشش گیاهی آن را استپی، درمنه، ممرز، بلوط و تنگرس تشکیل می‌دهد.
سه جریان آب و هوایی با ویژگی‌های متفاوت، اقلیم و آب و هوای استان را تحت تأثیر خود قرار می‌دهد. «جریان مدیترانه‌ای» با ماهیت معتدل و بحری که بیشتر بخارهای خود را در کوهستان‌های ترکیه و زاگرس و آذربایجان غربی از دست می‌دهد، از غرب، استان اردبیل را متأثر می‌کند. این جریان، منشاء مهم و اصلی بارش‌های جوی ایران است و ورود آن به منطقه، با تعدیل درجه حرارت و رطوبت هوا همراه است.
«جریان هوایی سیبری آسیای مرکزی» که ماهیتی برّی و سرد دارد، از شمال و شمال شرق وارد می‌شود و پس از عبور از دریای خزر و جذب بخار آن، استان اردبیل را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این جریان نیز بیشترین بخار خود را در دامنه‌های شرقی طالش و بغرو برجای می‌گذارد. ورود این جریان هوایی در نواحی شمالی و مرکزی و جنوبی استان با سرما و افزایش میزان رطوبت هوا همراه است و در مناطق دیگر به ویژه در مناطق مرتفع، سرما و یخبندانی خشک را سبب می‌شود.
جریان هوایی سیبری در تابستان باعث کاهش شدید گرما و خنک شدن هوا می‌شود. سومین جریان هوایی، «جریان اطلس شمالی یا اسکاندیناوی» است که دارای ماهیتی سرد است. با وجود این که جریان نامبرده نیز انبوهی از بخار خود را در سراسر اروپا و روسیه برجای می‌گذارد، ولی ورود این جریان از شمال و شمال غرب با سرمای شدید و بارش برف سنگین در استان همراه است.
چهارمین عامل مؤثر در اقلیم (آب و هوا) استان، وجود دریای خزر در شرق آن است که غیر از برخوردار کردن منطقه از بخارهای خود، در مناطق نزدیک و ساحلی نیز عامل تعدیل درجه حرارت است.
با وجود تنوع اقلیمی در استان، «سرد» بودن (بر اثر ارتفاع، جریان‌های هوایی سرد و عرض جغرافیایی) ویژگی مشترک اقلیم گوناگون آن‌جا است. حتی در قسمت شمالی استان که به دلیل پست بودن منطقه دارای اقلیم معتدل است، به طور متوسط در 50 روز سال یخبندان است.
پدیده یخبندان در ایستگاه‌های مرتفع استان (مناطقی که ارتفاع آن‌ها در حدود 2000 متر است) تا 170 روز در نُه ماه از سال افزایش می‌یابد. با توجه به این واقعیت که در حدود 20 درصد از استان دارای ارتفاعی بیش از 2000 متر است و با توجه به تفاوت جریان‌های برودتی و حرارتی در دامنه کوهستان‌ها، می‌توان نتیجه گرفت که در بسیاری از گستره‌‌های استان، در بیش از نیمی از روزهای سال یخبندان است یخبندانی که در سراسر ماه‌های سال حتی در تابستان نیز قابل رؤیت است.
با وجود شدت سرما و برودت کم‌تر از 30 درجه سانتی‌گراد (براساس داده‌های ایستگاه‌های هواشناسی مرتفع)، درجه حرارت بالای 40 درجه سانتی‌گراد نیز در گرم‌ترین ساعت‌‌های روز در ماه‌های تابستان، در داده‌های برخی ایستگاه‌ها، مانند پارس‌آباد قابل رؤیت است. دامنهٔ نوسان درجه حرارت در سردترین و گرم‌ترین ماه سال یک منطقه، در حدود 40 درجه سانتی‌گراد است. میانگین دمای روزانه نیز در بین ایستگاه‌های استان، 6/5 تا 15 درجه سانتی‌گراد است. براساس داده‌های این ایستگاه، نواحی پست دره رود ارس و دشت مغان گرم‌ترین و ارتفاعات دامنه‌های سبلان، سردترین مناطق استان هستند.
میزان بارش جوی در استان به طور متوسط بین 250 تا 600 میلی‌متر در نوسان است. دو فصل بهار و زمستان، فصل‌های بارندگی منطقه‌‌اند و بیشترین بارندگی‌ها در بهار دیده می‌شود. فصل پاییز از نظر بارندگی پس از بهار و تابستان در مرتبه سوم قرار دارد.