A temperatura média anual em Vilhena fica em torno de 26°C a 28°C. O mês mais quente costuma ser outubro, quando as temperaturas máximas frequentemente superam a média regional. Já janeiro é o período mais frio, com mínimas que podem cair bem abaixo da média, dependendo da altitude da cidade.

A estação mais chuvosa em Vilhena ocorre entre março 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 2.000 mm a 2.500 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 Vilhena depende do seu interesse. Se prefere temperaturas amenas e menos chuva, janeiro costuma oferecer dias mais agradáveis para passeios. Para quem busca calor e paisagens verdes, outubro é ideal, apesar do calor intenso. Turistas que desejam evitar as chuvas intensas devem planejar a viagem fora da temporada de março.

Em Vilhena, o calor intenso é característico durante outubro, 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, Vilhena vive um período verão úmido e quente, com temperaturas entre 28°C e 34°C e chuvas intensas quase diárias. A umidade relativa costuma subir bastante, tornando as tardes abafadas. No inverno, o clima muda para um período inverno menos chuvoso (chuvoso amazônico), mas ainda com temperaturas altas e alta umidade. Essa variação é típica da região e afeta desde a escolha de roupas até os horários de maior movimento nas ruas da cidade.