山丹地处高原高寒地带，全境属大陆性高原高寒半湿润气候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、带有明显的垂直分带性的特点。冬季受西伯利亚冷气团影响，气候严寒干燥，降水稀少。夏季受太平洋副热带高压和印度洋暖湿气流影响，气候温凉，雨量集中。2013年冬季长达283天，春季82天，无夏季，降水随海拔的升高自北向南有明显的垂直分带性。在海拔2600米－2850米之间为寒冷半干旱区，在海拔2850米－4933米之间为高寒湿润区。

山丹年平均气温1℃，昼夜温差大，无霜期110天左右，有效积温（≥0℃）海拔2500米积温1834℃，2550米积温1752℃。2013年光照充足，理论日照数2823小时（以二场为标准，由北向南随海拔升高减少）。