Al ser tan quebradas y abruptas, las barrancas presentan diversos climas, contrastantes y a veces extremosos, dentro de una misma región.
En general son dos los ambientes que existen en la Sierra Tarahumara: el de las mesetas y montañas en las partes altas de la sierra y el del fondo de las barrancas.
En altitudes mayores a los 1,800 msnm, el clima va de templado a frío la mayor parte del año, con lluvias ligeras en invierno y ocasionalmente abundantes nevadas que le dan gran belleza y majestuosidad a los paisajes. Entonces se registran temperaturas abajo de los 0 grados centígrados, que en momentos descienden hasta menos de 23 grados centígrados.
En el verano la sierra muestra su máximo esplendor, las lluvias son frecuentes, el paisaje se torna verde y los valles rebosan de flores multicolores. La temperatura promedio es entonces de 20 grados centígrados, muy distinta a la del resto del estado de Chihuahua que es muy elevada en esta época del año. La Sierra Tarahumara ofrece uno de los veranos más agradables de todo el país.
En contraste, el clima en el fondo de las Barrancas del Cobre es subtropical y su invierno es de lo más agradable, pues mantiene temperaturas promedio de 17 grados centígrados. En cambio, en la temporada de verano, el clima barranqueño es pesado, el promedio sube a los 35 grados centígrados, y se han llegado a registrar en la zona temperaturas de hasta 45 grados centígrados. Las abundantes lluvias de verano hacen crecer la corriente de las cascadas, arroyos y ríos hasta sus máximos caudales.