Die Stadt liegt in der subtropischen Klimazone. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 18 Grad Celsius und die jährliche Niederschlagsmenge 373 Millimeter im Mittel. Der wärmsten Monate sind Juli und August mit durchschnittlich 22,8 Grad Celsius und der kälteste der Januar mit 13,2 Grad Celsius im Mittel. Fast der gesamte Jahresniederschlag fällt in der Zeit von November bis April. Zwischen Mai und Oktober ist es überwiegend trocken.
Im Sommer herrschen in Los Angeles tagsüber meist Temperaturen um die 20 bis 28 Grad Celsius. Ohne die Lage an der Pazifikküste wäre es noch wärmer, da der Wind vom Meer die Temperaturen abschwächt. Im Winter dagegen ist es etwas kälter, wobei die Temperaturen fast nie unter 15 Grad Celsius sinken. Nachts sinkt die Temperatur durchschnittlich immer um circa zehn Grad Celsius ab. Die Luftfeuchtigkeit liegt bei 50 bis 75 Prozent.
Alle zwei bis drei Jahre kommt es zu Hitzewellen, bei denen die Temperaturen über 40 Grad Celsius steigen können. Ursache dafür sind, aus den östlich der Stadt gelegenen Wüsten, über die Santa-Ana-Berge kommende Winde, die deshalb auch Santa-Ana-Winde genannt werden.