Moskau befindet sich mit seinem vollhumidem Klima in der kühlgemäßigten Klimazone mit Kontinentalklima. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 4,4 Grad Celsius, der Jahresniederschlag liegt bei 575 Millimetern. Der meiste Niederschlag fällt im Juli (74 Millimeter), der wenigste im Februar (28 Millimeter).
Im Winter beträgt die Temperatur in Moskau meist −6 bis −10 Grad Celsius, manchmal werden aber auch Temperaturen unter −20 Grad Celsius gemessen. Recht oft herrscht aber auch Tauwetter. Die Winde sind mäßig, die Luft ist trocken. Der Windchill-Faktor ist deshalb relativ niedrig, das heißt die gefühlte Temperatur ist in der Regel höher als die tatsächliche. Stärkere Fröste sind also verhältnismäßig leicht zu ertragen. Im Sommer beträgt die durchschnittliche Temperatur zwischen 25 und 35 Grad.
Das Moskauer Temperaturmittel beträgt im Dezember −6,8, im Januar −9,9 und im Februar −9,5 Grad Celsius. Der Sommer in der Hauptstadt ist in der Regel warm und sonnig, mitunter aber auch sehr heiß – Temperaturen von über 35 Grad Celsius sind keine Seltenheit. Die langjährige Durchschnittstemperatur beträgt im Juni 16,8, im Juli 19,0 und im August 17,1 Grad Celsius.
Im Frühling beträgt die Durchschnittstemperatur im März −4,2, im April 4,7 und im Mai 11,9 Grad Celsius. Im Herbst liegt die Durchschnittstemperatur im September bei 11,2, im Oktober bei 4,5 und im November bei −1,9 Grad Celsius.
Die Schneeschmelze in der Stadt beginnt nach Berechnungen Moskauer Phänologen um den 16. März, der Eisbruch auf der Moskwa um den 12. April. Mit den ersten Gewittern ist um den 2. Mai zu rechnen, mit den ersten Nachtfrösten um den 14. September, und dem ersten Schneefall um den 28. Oktober. Die Moskwa friert um den 18. November wieder zu. Eine feste Schneedecke bildet sich um den 23. November.
In Moskau sind die Klimaverhältnisse in der Innenstadt, den Vororten und erst recht in der Umgebung unterschiedlich. In der Innenstadt ist es trockener und wärmer. In den Vororten ist die durchschnittliche Temperatur um 2–3 Grad Celsius niedriger als im Stadtzentrum.