Наиболее теплым является юго-запад равнины. В южной и центральной частях (примерно до 65° с.ш.) наблюдается понижение температуры с юго-запада на северо-восток от -17 до -28°С. Это примерно на 10°С холоднее, чем на Русской равнине, но на 7-10°С теплее, чем в Средней Сибири. В северные районы равнины по окраине ложбины пониженного давления нередко приходят циклоны с запада, северо-запада, а иногда и с юго-запада. С ними связана адвекция тепла с Северной Атлантики и Баренцева моря. Поэтому в северной части Западной Сибири температуры января изменяются с запада на восток от -22° в предгорьях Урала до -29°С в низовьях Енисея.
Активная циклоническая деятельность по линии арктического фронта и проникновение с юго-запада циклонов полярного фронта нарушают устойчивость антициклональной погоды и создают большие барические градиенты. В результате этого возникают сильные ветры с метелями и снежными буранами (пургой), особенно на севере (до 35-40 м/с) и в южных малолесных и безлесных районах (до 15-20 м/с). На холодный период приходится в южных районах 20%, а в северных - 35% от годовой суммы осадков. С ноября по март вся территория Западной Сибири покрыта снегом. На севере снежный покров устанавливается уже в середине октября и сохраняется в течение 250-270 дней в году. К югу продолжительность залегания снежного покрова сокращается до 150-160 дней. В лесной зоне мощность снежного покрова превышает 50-60 см, достигая максимума в восточной части зоны. В тундре она уменьшается до 40-50 см, а в степной зоне - до 25- 30 см. Переходные сезоны в Западной Сибири короткие - один-полтора месяца.
В теплый период над центральными районами Северного Ледовитого океана сохраняется повышенное давление. Над Западной Сибирью давление постепенно понижается к юго-востоку. С этим связано преобладание ветров с северной составляющей. Усиливается и роль западного переноса, так как над материком формируется пониженное давление. Однако барический градиент невелик, поэтому скорости ветра по сравнению с зимой уменьшаются.
Холодный сухой арктический воздух, поступая на поверхность суши, быстро прогревается, поэтому температурный градиент в северной части равнины высок. Средняя температура июля на северном побережье Ямала составляет 4°С, а близ полярного крута 14°С. Южнее нарастание температур происходит медленнее. На крайнем юге средняя температура июля составляет 21-22°С. Абсолютный максимум на севере 23-28°С, а на юге 45°С.
На теплый период (с апреля по октябрь) в Западной Сибири приходится 70-80% годовой суммы осадков. Наиболее обильны они в июле и августе, что связано с циклогенезом на арктическом и полярном фронтах. В тундре максимум осадков приходится на август, в тайге - на июль, а в степях - на июнь. В теплый период в южных районах Западной Сибири в отдельные годы возможны месяцы, когда совсем нет осадков. Летние осадки часто имеют ливневый характер, но суточное их количество редко превышает 10 мм.
Распределение осадков по территории имеет зональный характер. Наибольшее их количество (550-650 мм) выпадает в полосе, протянувшейся от Урала до Енисея через среднее течение Оби (лесная зона). В пределах этой полосы наблюдается некоторое увеличение осадков к востоку, обусловленное барьерной ролью Среднесибирского плоскогорья и повышением влажности воздуха при прохождении над заболоченной поверхностью равнины.
К северу и к югу от полосы наибольших осадков количество их постепенно уменьшается до 350 мм. К северу это происходит из-за возрастания повторяемости арктического воздуха с малым влагосодержанием, а к югу из-за ослабления циклонической деятельности и повышения температур.
Для равнины, особенно для ее южной части, характерны значительные колебания количества осадков от года к году. В лесостепной и степной зонах осадки влажного года могут превышать сумму осадков сухого года в 3-3,5 раза, в южной части тайги - в 2-2,5 раза.
Климат на большей части территории Западной Сибири способствует широкому развитию многолетней (вечной) мерзлоты, в распространении которой отчетливо прослеживается зональность.
На полуостровах мерзлота встречается повсеместно. Ее мощность 300-600 м. Южнее, примерно до Сибирских Увалов, распространена мерзлота с островами таликов. Монолитная мерзлая толща здесь сменяется двуслойной: верхний слой современной мерзлоты мощностью от 50-100 м на севере до 10-50 м на юге отделен слоем талых пород от нижнего реликтового слоя, начинающегося на глубине 80-140 м и имеющего мощность до 200-250 м Отдельные острова современной мерзлоты встречаются до широты устья реки Демьянки - правого притока Иртыша. Несколько южнее, до субширотного отрезка Иртыша, распространена реликтовая мерзлота (нет ее лишь на поймах крупных рек), залегающая на глубине от 100-120 до 250 м и имеющая мощность от 150 до 250 м. В направлении с запада на восток наблюдается увеличение мощности и понижение температуры мерзлых грунтов.
Воды
Западная Сибирь характеризуется огромным скоплением поверхностных и подземных вод, заключенных во многих тысячах крупных и мелких озер, обширных болотных массивах, медленно текущих полноводных реках, обильных грунтовых водах и крупных артезианских бассейнах.
Реки. Поверхность равнины дренируется многими тысячами рек, общая длина которых превосходит 250 тыс. км. Большая часть рек относится к бассейну Карского моря. Почти вся равнина входит в бассейн Оби. Лишь реки северной части равнины несут свои воды непосредственно в Карское море или его заливы (Газ, Пур и Надым). Некоторые районы Кулундинской, Барабинской и Ишимской равнин относятся к области внутреннего (замкнутого) стока. Реки здесь впадают в бессточные озера, а в засушливые годы совсем пересыхают. Густота речной сети в разных частях равнины неодинакова. Наибольшей величины она достигает в Приуральской части лесоболотной зоны (0,35-0,30).
В связи с равнинностью территории и слабым наклоном поверхности реки Западной Сибири, в том числе и самые крупные - Обь, Иртыш, Енисей, отличаются малыми продольными уклонами, медленным плавным течением и преобладанием боковой эрозии. Продольные уклоны Оби в среднем и нижнем течении составляют всего 1,5-3 см/км. Это в 3-4 раза меньше уклонов Северной Двины. Уклон Енисея в 1,5-2 раза больше, чем Оби. При малом падении реки сильно меандрируют, блуждая по широкой пойме, достигающей на крупных реках ширины 15-20 км, образуя многочисленные рукава, протоки и старицы. Коэффициент извилистости многих рек составляет 2,5-3.
В питании рек принимают участие талые снеговые, дождевые и болотно-грунтовые воды. На первое место у всех рек выходит снеговое питание. Доля его растет в направлении с севера на юг. С таянием снегов связано весеннее половодье на реках, пик которого в северной части смещается на начало лета. Пик половодья на Оби достигает 7-12 м, а в низовьях Енисея даже 18м.
Для западносибирских рек характерно чрезмерно затяжное (распластанное) половодье. Лишь реки южных районов отличаются бурным кратковременным половодьем и быстрым спадом вод. На остальной территории половодье растягивается на два-три летних месяца. Подъем воды идет очень быстро, а высокий уровень держится долго и спадает очень медленно. Это связано с особенностями рельефа, замедляющими сток, а также с тем, что основные водные артерии Западной Сибири - Обь, Иртыш и Енисей - текут с юга, где раньше начинается половодье. В результате эти многоводные реки вызывают подпоры на притоках их среднего и нижнего течения. Длительное весенне-летнее половодье сильно ослабляет дренирующую роль рек и даже превращает их из фактора дренажа в фактор застоя и временного накопления вод.
Ледостав на реках южной части Западной Сибири продолжается пять месяцев в году, а на северных - до семи-восьми месяцев. В период весеннего ледохода на крупных реках возникают мощные ледяные заторы, так как вскрытие начинается в верховьях, постепенно распространяясь к северу. Продолжительность ледохода в низовьях Оби и Енисея около месяца.
Крупные реки Западной Сибири судоходные. Енисей, Обь и Иртыш судоходны практически на всем их протяжении в пределах равнины. В низовья Енисея (до Дудинки) заходят и морские суда, так как глубины здесь достигают 50 м.
Обь - одна из величайших рек мира – главная река равнины. Площадь ее бассейна составляет около 3 млн. км2, длина от истоков Иртыша - 5410 км. Если считать длину Оби от истока Катуни, то она достигает 4345 км, а от слияния Бии и Катуни - 3650 км. Годовой сток Оби около 400 км3, а средний годовой расход 12 800 м3/с. По водоносности Обь занимает в России третье место, уступая лишь Енисею и Лене. Впадает река в Обскую губу, представляющую собой типичный эстуарий. Подводная долина прослеживается и далее, при выходе из Обской губы, в прилегающей части моря.
Слева Обь принимает свой крупнейший приток Иртыш, бассейн которого занимает половину Обского бассейна, а длина от истоков Черного Иртыша достигает 4248 км. Сток Иртыша составляет треть стока Оби. Притоки Иртыша - Ишим, Тобол и Конда, а также притоки Оби - Чулым, Кеть и Васюган имеют длину более 1000 км. Обь и Иртыш с их притоками в пределах Западной Сибири — типичные равнинные реки с малыми уклонами и спокойным течением.
Площадь бассейна Енисея немногим более 2,5 млн. км2. На территории Западной Сибири находится лишь небольшая левобережная часть бассейна, по которой протекают короткие немноговодные притоки. Начинается Енисей в горах Тувы и впадает в Енисейский залив Карского моря. В верхнем течении это бурная горная река с большим продольным уклоном. В среднем течении, где река прижата к уступу Среднесибирского плоскогорья, в ее русле встречаются крупные пороги, а течение имеет большую скорость. Лишь в низовьях Енисей приобретает спокойное течение. Длина реки 4092 км, годовой сток около 624 км3, а среднегодовой расход 19 800 м3/с. Это - самая многоводная река страны.