Na região do Consórcio há uma notável diversidade climática, variando do regime tropical ao semi-árido. A distribuição das chuvas na área de atuação do Consórcio exibe uma forte variação espacial e temporal. Isto ocorre devido à ação combinada das mudanças das massas de ar que pairam sobre a região ao longo do ano com as diversificadas características do meio ambiente das bacias e da zona costeira, em especial o relevo, associado ao fenômeno da ressurgência marítima que ocorre nas costas de Cabo Frio e Arraial do Cabo. Durante o verão predomina a massa de ar Continental Equatorial, enquanto no resto do ano prevalece a massa de ar Tropical Atlântica. Frentes frias (Frentes Polares Atlânticas) freqüentemente passam pela região, em especial durante a primavera.

A quantidade de chuva cresce de sudeste para noroeste, variando de menos de 1.000 mm/ano até pouco menos de 2.500 mm/ano. Ela é maior nas partes superiores da cadeia de montanhas da Serra do Mar e menor um pouco na meia-encosta e no sopé das montanhas. Reduz um pouco na região das planícies e colinas até atingir seu valor mínimo na parte costeira que vai de Armação dos Búzios até Saquarema, onde chove menos 1.000 mm. Arraial do Cabo, por exemplo, tem clima semi-árido.