شهرستان سراب به واسطهٔ قرار گرفتن مابین دو رشته کوه بزقوش در جنوب و ارتفاعات سبلان در شمال دارای آب و هوایی سرد و کوهستانی است که در تابستان معتدل و در زمستان‌ها دارای آب و هوای سرد است. [[سراب (شهر)|سراب]] یکی از نقاط سردسیر کشور به‌شمار می‌رود. تعداد روزهای یخبندان در [[سراب (شهر)|سراب]] به‌طور متوسط۱۵۰ تا ۱۶۰ روز در سال است. مقدار بارندگی سالانه از ۲۹۸ میلی‌متر۳۰۰میلی‌متر در نقاط پست تا۶۰۰ میلی‌متر در ارتفاعات متغیر است. محدودهٔ شهرستان سراب به جز در قسمتی کوچک از منتهی‌الیه شرق خود که آبخیز اصلی رودخانهٔ آجی‌چای است، نزولات جوی جاری شده در سطح این شهرستان از طریق ۱۰ شاخهٔ اصلی به سمت آجی‌چای سرازیر و توسط آن از منطقه خارج می‌شود. مهم‌ترین رودخانه‌های جاری در منطقه عبارتند از سوین، آغمیون، پسلر، و [[تاجیار]] که از دامنه‌های سبلان نشأت گرفته و از شمال شهر به سمت جنوب جریان می‌یابند و رودخانۀ وانق‌چای که از کوه‌های بزقوش سرچشمه می‌یابد و در جنوب [[سراب (شهر)|سراب]] با پیوستن به سایر رودخانه‌ها، آجی‌چای را تشکیل می‌دهد و در منطقهٔ مهربان، رودخانهٔ ارزنق به آن‌ها ملحق می‌شود. شهرستان سراب یکی از مناطق پرآب استان آذربایجان شرقی به‌شمار می‌رود و علاوه بر آب‌های سطح‌الارضی تعداد ۱۳۵ حلقه چشمه و قنات نیز در منطقه وجود دارد. به دلیل خشکسالی سال‌های اخیر، تعدادی از این چشمه‌ها و قنات‌ها خشک شده‌اند. بالغ بر ۱۸۰۰ حلقه چاه عمیق و نیمه عمیق نیز در سطح شهرستان وجود دارد که در فصل برداشت آب (فصل زراعی) در مجموع ۱۶۸ میلیون مترمکعب آب از منابع زیرزمینی در این شهرستان برای مصرف در امر کشاورزی برداشت می‌شود. به لحاظ وقوع خشکسالی در برخی نقاط، ارتفاع آب‌های زیرزمینی حتی تا ۲۰ متر کاهش یافته‌است.
