Температура воздуха понижается с юга на север.

Самыми холодными месяцами являются январь и февраль; средняя температура воздуха в эти месяцы изменяется от —1 °С в южной части моря до —6 °С в северной. Абсолютный минимум температуры —33 °С (порты Азов и Ростов-на-Дону, январь). Самые ранние морозы отмечаются в конце сентября, а поздние — в конце апреля, в редких случаях — в начале мая. Примерно один раз в пять лет отмечаются суровые зимы с резкими и продолжительными понижениями температуры.

Самые теплые месяцы — июль и август: средняя месячная температура воздуха 22—24 °С. Абсолютный максимум температуры 43 °С (портовый пункт Приморско-Ахтарск, август). Наступление максимума и минимума суточных температур воздуха над открытой частью моря запаздывает по сравнению с прибрежными районами. Наибольшие величины суточной амплитуды температуры (5—10 °С) наблюдаются летом на северо-восточном побережье.

Относительная влажность воздуха в течение года значительная. В холодный период года она составляет 80—90 %, а в теплый 55—75 %. Относительная влажность в открытом море в среднем несколько выше, чем на побережье. В течение всего года хорошо выражен суточный ход ее с максимумом в утренние часы и минимумом в послеполуденные часы.