气候云南地处南亚热带季风、东亚季风及青藏高寒气候的结合部位，但大部分地区属亚热带高原型季风气候，“四季如春，一雨成冬（或秋）”。最热月均温19～22℃，最冷月5～7℃以上，年温差仅10～14℃，日较差较大，冬半年可达12～20℃。由于纬度和海拔增高相一致，致使省内8个纬距内呈现寒温热三带，具有相当于中国南部的海南岛到东北的长春的气候差异，且气候带交错分布，北部的气候带沿山脊南伸，南部的气候带逆河谷北上；高纬度高海拔地区长冬无夏，低热河谷长夏无冬。此外，干湿季分明，年均降水量约1 100毫米，5～10月为雨季，降水丰沛，几乎集中了全年降水的85～90％；11月～翌年4月为干季，降水少，晴天多，日照充足。由于降水季节分配不均，干旱、洪涝和低温、霜冻、冰雹、风灾等自然灾害几乎每年都有发生。
水文境内河流具季风性山区河流特点，水位季节变化大，水流湍急，水力资源丰富。受山脉走向控制，滇西北地区怒江、澜沧江、金沙江顺地势自北向南平行流动，其间最近处相隔仅76公里，向南渐疏展。金沙江流至丽江石鼓附近突然折向东流，怒江和澜沧江流至北纬25°附近呈辐射状散开，以形似扫帚而称“帚形”水系。本省河流分属伊洛瓦底江、怒江、澜沧江、金沙江、元江和南盘江6大水系，分别注入印度洋和太平洋。受巨大断裂影响，省境呈南北向条状分布的断层湖多达40余个，如滇池、洱海、抚仙湖、程海、泸沽湖等。
动植物与土壤云南处于泛北极植物区系和古热带植物区系交汇地带，植物组成成分从南到北依次有热带雨林、季雨林、热带稀树草原旱生植被；亚热带常绿阔叶林、混交林和针叶林；温带、寒温带针叶林等。动物基本属中国西南区系和华南区系，大部分地区与中国东南部季风区耐温动物群种相同，滇西北则与青藏高原耐寒动物群相似，南部边缘则多栖息中南半岛的动物群种。
本省高等植物，已发现的有274科2076属1.8万种（包括蕨类植物），约占全国一半，为全国植物种类最丰富省份，素有“植物王国”之称。云南亦为中国重点林区之一，森林覆被率为24.9％。总蓄积量13亿立方米，仅次于黑、藏，居全国第3位。树种以针叶林为主，有云南松、思茅松、云杉、冷杉等。阔叶树用材林以壳斗科占优势，地区分布以滇西北最集中。滇南一带还有众多被称为“活化石”的第三纪古老树种，如本兰科的木莲、拟含笑、黄缅桂、龙脑香科的东京龙脑香、毛坡垒；裸子植物的苏铁、倪藤及树蕨等。花卉资源亦具特色，报春、杜鹃、兰花、山茶、玉兰等均为名花，尤以山茶花为最，有“云南山茶甲天下”之誉。云南中药资源共达5050种。动物种类亦为全国之冠。淡水鱼类366种，约占全国种类总数的45.8％；两栖类92种，约占43.8％；爬行类145种；占45.6％，鸟类776种，占65.4％；哺乳类259种，占55.1％。不仅种类多，且多珍贵稀有种，列为国家保护的动物种类中，几乎占半数。如横断山地中所产的滇金丝猴，在世界灵长类中仅见于本省。此外，亚洲象、野牛、白掌长臂猿、白颊长臂猿、白眉长臂猿、平顶猴、扭角羚、灰头鹦鹉、大绯胸鹦鹉及近年在高黎贡山发现的黑麝和斑羚，在中国均仅见于本省。
全省大部分地区山川相间，垂直高差大，一般约1000～1 500米以上，金沙江虎跳峡谷底海拔1800米，峡谷两侧的玉龙雪山和哈巴雪山与之高差竟达3000米以上。每一区域从山麓到山顶均可划出几个不同的气候类型，通常以“山高一丈，大不一样”、“一山有四季，十里不同天”来形容。气候的垂直变化又导致土壤、植被的垂直分布。如哀牢山从东坡海拔500余米的元江谷地到海拔3165.9米的主峰，相对高差2600余米，垂直带谱为：①海拔500～1 000米为南亚热带半干旱气候型，元江河谷灌丛草坡下分布有燥红土。②1000～1 600米为南亚热带半湿润气候型，中山下部思茅松、常绿阔叶林及针阔叶混交林下为赤红壤带。③1600～1900米为中亚热带半湿润气候型，中山灌丛草坡分布有红壤。④1600～2400米为中亚热带半湿润气候型和北亚热带湿润气候型，中山中下部云南松及针阔叶混交林下分布有黄红壤。⑤2 000～2 700米为北亚热带及暖温带湿润气候型，中山中上部常绿阔叶林及中山湿性常绿阔叶林下分布有黄棕壤。⑥2700～3000米为暖温带湿润气候，中山上部铁杉林、针阔叶混交林下分布有棕壤。⑦3000米以上为暖温带湿润气候，亚高山灌丛草甸植被下为棕毡土。但云南西部地区存在植被倒置现象，如西双版纳景洪勐龙坝低盆地边缘分布有热带季节性雨林，中间700～1300米坡面则分布有南亚热带常绿栎类混交林带；但至南糯山或勐养困满1300多米又重复出现热带雨林树种。这一现象与西部地区常有逆温存在有关，对于向海拔较高地区发西双版纳热带雨林中的大榕树展热带作物非常有利。