จากสถิติสภาพภูมิอากาศบริเวณพื้นที่อุทยานแห่งชาติหาดขนอม-หมู่เกาะทะเลใต้ ซึ่งทำการเก็บข้อมูลที่สถานีตรวจวัดอากาศเกาะสมุย จังหวัดสุราษฎร์ธานี ซึ่งอยู่ใกล้เคียงพื้นที่อุทยานแห่งชาติมากที่สุด กรมอุตุนิยมวิทยาได้เก็บข้อมูลสภาพอากาศที่สถานีตรวจอากาศเกาะสมุยในช่วงปี 2509 – 2538 ในช่วงระยะเวลา 30 ปี อิทธิพลต่าง ๆ จากสภาพภูมิอากาศทำให้เกิดฤดูกาลแบ่งได้ 2 ฤดู คือ

ฤดูร้อน อยู่ระหว่างเดือนกุมภาพันธ์ถึงกลางเดือนเมษายน ระยะนี้เป็นช่วงว่างของฤดูมรสุม หลังจากสิ้นฤดูมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือแล้ว อากาศจะเริ่มร้อน และจะมีอากาศร้อนจัดในที่สุดในเดือนเมษายนต่อเดือนพฤษภาคม

ส่วนฤดูฝน อยู่ระหว่างเดือนพฤษภาคมถึงเดือนมกราคม เป็นช่วงลมมรสุมตะวันตกเฉียงใต้ ซึ่งเป็นลมร้อนและลมชื้นจากมหาสมุทรอินเดียพัดปกคุลมทำให้มีฝนตกทั่วไปและในช่วงฤดูฝนนี้ ยังมีช่วงความกดอากาศต่ำปกคลุมภาคใต้เป็นระยะ จึงทำให้มีฝนตกมาก นอกจากนี้ในระหว่างเดือนพฤศจิกายน-มกราคม ยังได้รับอิทธิพลจากลมมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ ที่พัดผ่านอ่าวไทยทำให้มีฝนตกมากในระหว่างเดือนพฤศจิกายนถึงเดือนธันวาคม

ด้วยอิทธิพลของมรสุมตะวันตกเฉียงใต้จากมหาสมุทรอินเดีย และมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือที่พัดผ่านอ่าวไทยทำให้ได้รับไอน้ำและความชุ่มชื้นมาก อากาศจึงไม่ร้อนจัดในฤดูร้อนและอบอุ่นในฤดูฝน อุณหภูมิเฉลี่ยตลอดปีประมาณ 28 องศาเซลเซียส และเดือนที่มีอุณหภูมิต่ำสุดคือ เดือนธันวาคมและเดือนมกราคมมีอุณหภูมิต่ำสุดประมาณ 19 องศาเซลเซียส และมีอุณหภูมิสูงสุดในเดือนพฤษภาคม ประมาณ 33 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์เฉลี่ยตลอดปีประมาณ 79% ความชื้นสัมพัทธ์สูงสุดเฉลี่ยจะเกิดในเดือนตุลาคมและพฤศจิกายน สูงถึง 92% ส่วนความชื้นสัมพัทธ์ต่ำสุดเฉลี่ยจะเกิดในเดือนกรกฎาคม 63% ปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยทั้งปี 1,910 มิลลิเมตร เดือนพฤศจิกายนมีปริมาณฝนตกมากที่สุดวัดได้ 511 มิลลิเมตร เดือนกุมภาพันธ์มีฝนตกน้อยที่สุดวัดได้ 35 มิลลิเมตร