A temperatura média anual em Petrópolis fica em torno de 18°C a 24°C. O mês mais quente costuma ser fevereiro, quando as temperaturas máximas frequentemente superam a média regional. Já julho é o período mais frio, com mínimas que podem cair bem abaixo da média, dependendo da altitude da cidade.

A estação mais chuvosa em Petrópolis ocorre entre janeiro e os meses seguintes, quando as chuvas se concentram devido à influência de sistemas de baixa pressão e frentes frias na região. A precipitação média anual é de 1.200 mm a 2.000 mm, sendo que os meses mais secos costumam coincidir com o inverno ou a estação seca local, dependendo da latitude.

O melhor período para visitar Petrópolis depende do seu interesse. Se prefere temperaturas amenas e menos chuva, julho costuma oferecer dias mais agradáveis para passeios. Para quem busca calor e paisagens verdes, fevereiro é ideal, apesar do calor intenso. Turistas que desejam evitar as chuvas intensas devem planejar a viagem fora da temporada de janeiro.

Em Petrópolis, o calor intenso é característico durante fevereiro, com temperaturas frequentemente acima de 30°C. No inverno, as temperaturas caem consideravelmente, mas a neve é praticamente impossível devido à latitude e altitude da cidade. No entanto, eventos extremos de frio podem trazer temperaturas bem abaixo do normal para a região.

No verão, Petrópolis vive um período verão quente e úmido, com chuvas frequentes de trovoada e temperaturas entre 25°C e 34°C. A umidade relativa costuma subir bastante, tornando as tardes abafadas. No inverno, o clima muda para um período inverno ameno a frio, com temperaturas mínimas entre 8°C e 15°C e dias ensolarados. Essa variação é típica da região e afeta desde a escolha de roupas até os horários de maior movimento nas ruas da cidade.