Per la sua posizione interna ma non troppo lontana dal mare il territorio volterrano ricade in una fascia di transizione tra il clima mediterraneo e quello centroeuropeo, mantenendo comunque i caratteri generali del primo con mesi autunnali e primaverili piovosi, inverno abbastanza mite ed estate secca e ventilata. Più in particolare il clima della zona, che può essere definito esattamente come temperato di tipo sub-litoraneo, si caratterizza per un periodo di freddo invernale non molto esteso e per un'estate piuttosto lunga e calda con scarsissime precipitazioni.
Per quanto riguarda il regime termico, a Volterra solo raramente le temperature minime scendono di vari gradi sotto lo zero e comunque sempre per periodi brevi (la temperatura media invernale oscilla infatti tra 1 e 10 °C), mentre i mesi autunnali risultano leggermente più caldi di quelli primaverili (in media circa 19 °C contro 16 °C) e caratterizzati da un'escursione termica che in settembre-ottobre risulta maggiore che nei mesi primaverili (in quanto la temperatura subisce un deciso rialzo solo in maggio).
Per la sua posizione elevata e per la sua lontananza da barriere orografiche Volterra si trova assai esposta all'azione dei venti che, per la particolare conformazione del rilievo, assumono spesso moti rotatori ed irregolari con frequenti variazioni di direzione, velocità, umidità e temperatura. In generale prevalgono comunque i venti marittimi in primavera e i continentali in autunno-inverno, mentre piuttosto rari sono i periodi di calma. Il vento predominante è quello di Nord-Est (Grecale) che si attenua solo in estate per lasciare spazio all'azione dei venti di Sud-Ovest (Libeccio), Ovest (Ponente) e Nord-Ovest (Maestrale), mentre in primavera spirano frequentmente i venti di Sud-Ovest (Libeccio) e di Sud-Est (Scirocco).
Per quanto riguarda infine la piovosità, a Volterra essa è più abbondante che nei dintorni a causa della sua posizione elevata che determina il classico fenomeno delle "piogge orografiche" in quanto il rilievo funge da parziale barriera sulla quale i venti marittimi (all'azione dei quali il colle si trova direttamente esposto) scaricano talora la loro umidità. La stagione più piovosa è senza dubbio l'autunno (soprattutto il periodo novembre-dicembre), ma precipitazioni di rilievo si registrano anche nel periodo febbraio-marzo e nei mesi primaverili.
In autunno le piogge hanno per lo più carattere temporalesco e violento, mentre in primavera la piovosità appare ripartita più uniformemente. L'estate è invece decisamente secca (il mese più asciutto è luglio), ma a partire dalla metà di agosto si registra sovente una ripresa della piovosità che aumenta poi in settembre e ottobre per culminare infine in novembre.