حوضه آبریز رودخانه کرخه به لحاظ وسعت بسیار زیاد از شرایط آب و هوایی متنوعی برخوردار است. دشت خوزستان و قسمتهای جنوبی حوضه، نیمه خشک با زمستانهای ملایم و تابستانهای گرم و طولانی است. در حالیکه بخشهای شمالی و مناطق کوهستانی دارای زمستانهای سرد و تابستانهای ملایم است.درجه حرارت در حوضه از منهای 25 درجه تا حداکثر 50 درجه سانتیگراد تغییر می کند. متوسط سالانه ریزشهای جوی در حوضه 300 تا 800 میلی متر در سال متغییر است. از نظر آب و هوایی حوضه آبریز کرخه به اقلیم مدیترانه ای تعلق دارد. میزان متوسط بارش سالیانه در محل سد حدود 290.6 میلیمتر است. متوسط سالیانه درجه حرارت هوا در محل سد حدود 24.6 درجه سانتیگراد و بالاترین و پایین ترین درجه حرارت به ترتیب 4.2- و 53.6 درجه سانتیگراد است.متوسط تبخیر سالیانه از سطح آزاد آب حدود 2079 میلیمتر است و میزان رطوبت نسبی سالیانه حدود 45.5 درصد می باشد. تعداد روزهای یخبندان در محل طرح معادل 4.5 روز در سال است. سرعت متوسط باد 2.5 متر بر ثانیه و حداکثر آن 41.2 متر بر ثانیه با جهت غالب غرب بوده است. تعداد ساعات آفتابی به طور متوسط 2762.7 ساعت در سال است.