Area interamente montuosa, la Valle d'Aosta ha un clima alpino, con inverni anche molto rigidi per la formazione di una bassa pressione nelle valli, che porta umidità e freddo; ed estati fresche. Il clima si presenta piuttosto rigido d’inverno; il fondovalle che ospita l’unica pianura è poco piovoso e afoso d’estate in quanto i monti circostanti ostacolano il passaggio di venti e correnti e quindi non favoriscono la circolazione ed il ricambio dell’aria.
Fortunatamente, la forte variabilità (in altezza e, quindi, di condizioni meteorologiche) delle montagne che circondano e dominano le strette e soleggiate gole favorisce - tra la Valle centrale ed i pendii - diverse zone con un gradevole micro-clima.
Durante i mesi invernali, le città delle valli sono investite da un clima rigidissimo, che arriva a temperature medie diurne di -10, -15 °C nelle zone più alte. Le temperature possono scendere ulteriormente nei peridi di freddo intenso. Le estati sono fresche e ventose di giorno, mentre sono addirittura fredde di notte. Le temperature diurne estive si mantengono sui 25-28 °C, e molto raramente superano i 30 °C.
A Gressoney-Saint-Jean (1.385 m di quota) si registrano valori medi in gennaio di -5 °C, in luglio di 12 °C. Tuttavia in territorio valdostano si trovano non solo conche protette, come quella in cui è situata la città di Aosta, nella quale il clima è molto più mite di quanto si potrebbe supporre, con estati decisamente calde, ma addirittura la stessa Gressoney-Saint-Jean ha registrato un eccezionale massimo di 32 °C.
Il clima è più fresco che nelle altre regioni a pari latitudine perché i boschi, con la traspirazione, umidificano e rinfrescano il clima. Inoltre i ghiacciai rafreddano l'aria, che scende verso valle. In Valle d'Aosta questo fenomeno è accentuatissimo per via del gran numero di ghiacciai. Inoltre, quando d'inverno l'aria artica scende da nord, dopo aver attraversato le montagne del centro della Francia, la prima regione italiana colpita e questa.
La pluviometria è abbastanza elevata. Le precipitazioni sono quasi sempre nevose in inverno, a volte con vere e proprie tormente. In estate le precipitazioni sono piovose a valle, ma nelle cime cade comunque la neve. Le precipitazioni sono comunque relativamente scarse, perlopiù tra i 600 e i 1.000 mm annui, molto inferiori cioè a quelle medie alpine; asciutti sono gli inverni e poco piovose le altre stagioni.
Visto il clima così freddo, la vegetazione è di conifere. Il freddo fa della Valle d'Aosta la regione italiana con più ghiacciai.