Exemplo da Caatinga na estação chuvosa .

O clima que reina atualmente na região do Parque Nacional se caracteriza por uma temperatura média anual elevada (28° C). O mês mais frio é junho, com temperatura média de 25°C, máxima de 35°C e mínima de 12°C. No sopé da Serra da Capivara as noites são mais frias, com mínimas próximas a 10°C. O início da estação das chuvas em outubro e novembro é o período mais quente do ano. A temperatura média é de 31°C, com máximas de 47°C e mínima de 22°C.

A estação das chuvas estende-se, geralmente, de outubro até a metade de abril ou início de maio, mas a chuva pode chegar mais tarde ou terminar mais cedo. As chuvas são, em geral, de curta duração e extremamente localizadas. Lugares como São Raimundo Nonato e Coronel José Dias, distantes 30 km entre si e em situação homóloga em relação aos principais relevos, apresentam ritmos pluviométricos distintos. As primeiras chuvas que permitem o plantio podem ocorrer com uma diferença de 15 dias entre uma zona e outra.

A irregularidade inter-anual das precipitações oscila entre 250,5 mm em 1932, ano de seca catastrófica, e 1.269 mm em 1974. Este último valor, o mais elevado registrado em 70 anos, é, entretanto, muito inferior aos 1.462,4 mm de evapotranspiração potencial anual. A média das precipitações é de 689 mm com um desvio padrão de 200 mm.

Em São Raimundo Nonato, o balanço hídrico precipitações/evapotranspiração potencial é ligeiramente excedente no mês de março. O balanço dos outros meses é negativo, com os déficites atingindo 115 e 119 mm respectivamente no início e no fim da estação seca.

Os únicos dados disponíveis sobre a insolação são os de Simplício Mendes, ao norte do Parque Nacional, onde ela varia de 162,7 horas em fevereiro a 322,8 horas em agosto, seja respectivamente 46 e 88% da duração média de iluminação.