Éloigné de l'influence régulatrice de l'océan, le département possède une forte influence continentale, neige et fortes gelées l'hiver, sècheresses et chaleur l'été ponctués par des pluies pouvant être orageuses. Les orages sont particulièrement fréquents et violents dans le Haut-Doubs.

La principale particularité du climat de ce département de vallées, plateaux et montagne est sa grande variabilité aussi bien au cours d'une saison que d'une année sur l'autre.

Le Doubs est un des départements les plus froids de France, mais aussi l'un des plus chauds à altitude comparée. L'amplitude entre la température annuelle la plus froide et la plus chaude atteint plus de 70° : 76,7° à Mouthe, 71,2° à Pierrefontaine-les-Varans, 60,9° à Besançon. Le climat est donc plus continental que montagnard sur le Massif du Jura.

Records mini: -41° à Mouthe (936 m), -32,0° à Pontarlier (830 m), -32,0° au Russey (885 m), -31,9° à Pierrefontaine-les-Varans (709 m), -20,7° à Besançon (307 m).

Records maxi: 40,2° à Besançon (307 m); 39,6° à l'Isle-sur-le-Doubs (292 m); 39,3° à Pierrefontaine-les-Varans (709 m) ; 36,7° à Pontarlier (830 m) ; 35,7° à Mouthe (936 m).