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気候区分は内陸の那須火山帯・奥羽山脈の山麓は日本海側気候、それ以外に地域は太平洋側気候。それに併せて、内陸は内陸性気候で夏は暑く冬は寒く、沿岸北部・沿岸南部は海洋性気候で夏は涼しく冬は内陸ほど寒くない（→東北地方#気候）。

県内全域が豪雪地帯であり冬には県全域に雪が降るが、積雪量には地域差が大きい。西和賀町と八幡平市（旧松尾村）は積雪量がかなり多く、特別豪雪地帯に指定されている。奥羽山脈では、積雪量が多く雪質もいいため、いくつかのスキー場でスキーやスノーボードの国際大会や国内大会が開かれることが多い。

太平洋側の盆地である北上盆地は、冬季の西高東低の気圧配置になると奥羽山脈が「壁」の役割をはたして晴天になる場合も多い。そのため、放射冷却によって早朝の最低気温がかなり低くなる。対して、降雪時や曇天の場合は気温が下がりづらい。北上盆地に位置する盛岡市は、このような放射冷却の影響がある脊梁山脈東側盆地の最北端都道府県庁所在地であるため、（日本海側のため冬季は曇天が多く、放射冷却がおきづらい）青森市や札幌市など、より北に位置する都道府県庁所在地よりも最低気温が下回る時が多く、東北地方では勿論、日本の都道府県庁所在地で最寒都市である日が多い。

一方、北上盆地の夏は、フェーン現象の影響で、南にあり海洋性気候の傾向もある仙台市よりも気温が高いことがしばしばあるが、沿岸部は仙台市と同様の気候となることが多い。