临沂在最冷的季节大约会降至零下10摄氏度。该市七月平均气温介于23至31摄氏度之间。白天平均温度为31摄氏度，适宜穿着轻薄透气的短装，如短袖、短裙或短裤。夜晚平均温度下降至23摄氏度，适合穿着棉麻等材质的衬衫、轻薄长裙或T恤。
临沂的气候类型属于温带季风气候，具有温和的气温、明显的四季变化、充足的阳光、充沛的雨量以及雨热同季的特点。春季温暖且干燥，常受干旱、寒潮和晚霜冻的影响。夏季则高温多湿，雨量充沛，易遭受洪涝、大风和冰雹等灾害。秋季气温迅速下降，雨量减少，天气晴朗凉爽，但偶尔也会出现秋旱或连阴雨的情况。冬季则寒冷干燥，雨雪稀少。
临沂境内水系发达，主要河流为沂河和沭河，共有支流1035条，长度超过10千米的河流超过300条。这些河流大多分布在淮河流域的孙磨地区。沂河源头位于沂源、蒙阴和新泰三县交界的老松山北麓，流经多个县区后南流入江苏省，最终注入黄海，全长570千米，境内流长287.5千米，历史上最大流量达到每秒1.54万立方米（1957年数据）。
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