墨尔本的气候属于亚热带与温带交叉型气候，最热月通常最高平均气温25℃，最低平均气温14℃，最冷月在3℃到15℃之间，终年多雨，属于温带海洋性气候。处于向亚热带过渡的地带，夏季偶有最热月超过40摄氏的情形。夏天人们喜欢去海边玩，在炎热的夏天，日间气温最高可达到四十摄氏度以上。
墨尔本的气候比较干燥，相对湿度常在30%到50%之间，由于干燥，平时晾晒衣物也干得快，衣服家具等物品不容易发霉，冬天在同样的低温下与湿度高的地方比较也不觉得那么寒冷，在生活上，墨尔本这样的湿度让很多人觉得舒适。
由于地理位置和洋流影响的原因，墨尔本日夜温差较大，夏天即使白天气温高达三十多度，晚上就会凉下来至十二度左右，因此在冬天，墨尔本不太冷，冬天一般日间气温在十摄氏度以上，冬天并不下雪，但墨尔本的周围有许多山，冬天的时候寒冷的高山上有积雪，所以每逢冬季，墨尔本附近的高山又是滑雪的好地方。
墨尔本地处大分水岭以东，常年受南太平洋暖流影响，属温带海洋性气候，全年气温变化较为和缓，降水分布均匀（下半年降水量略多），但由于同时受到印度洋冷风的影响，墨尔本日温差大（超过10°C）的天气状况比较常见。冬季温暖，略微潮湿，降雪少见（墨尔本地区上一次降雪追溯到1986年7月）；夏季温热，相对干燥，高温天气少见，偶有极端高温（尤其是热浪发生时）。最冷月为7月，平均气温9.8℃；最热月为1月，平均气温20.1℃。极端最低气温−2.8 °C（1901年7月4日），极端最高气温46.4℃（2009年2月7日）。
墨尔本的气候虽然普遍较为舒适，但由于受气候变暖的影响，近年来其平均温度（尤其是夏季）呈明显上升趋势，极端天气事件发生的频率和程度也显著升高和加深。例如2009年1月末至2月初，热浪突袭澳大利亚，墨尔本是主要的受影响城市之一。该市保持了150年之久的最高温纪录就在此期间被打破 。加上臭氧层空洞的问题，墨尔本夏季的阳光更加容易引起皮肤癌。市民在外出时，均会涂上防晒油以减少紫外线的伤害。
墨尔本的气温有「一天四季」的说法，一天之间从短袖到棉袄这样的状况也经常出现。
