北冰洋因位处北极圈以内，广大海域有漫长的永夜，散失掉大量的热。永昼期间尽管光照时间很长，但太阳高度角很小，获得的日热也有限；同时在永昼期间还要消耗大量的热能用于融化积雪和海冰；再加上白色的冰雪还将部分太阳能反射回去。在这些因素的共同影响下，致使北冰洋范围的气温非常低。11—4月的冬半年绝大部分地区的平均气温均为-20—-40°，只是巴伦支海上空，因受到北大西洋暖流及由冰岛低压附近东进的温带气旋影响，气温才达到0℃左右。北冰洋海域没有真正的夏季，就在最高温的月份，气温也只有0—6℃。在北冰洋内部，由于主要是下沉气流，风暴天气并不多见，然而在它的边缘部分，由于海陆的物理性质不同，常有明显的“季风”变化，而且风速很大。冬季时节，因每受冰岛低压和阿留申低压的影响，常在亚欧大陆北部沿岸海域和阿拉斯加北部沿岸海域，形成气旋而产生暴风雪天气。
北冰洋的降水量一般只有100—200mm，降水形式主要是飘雪。即使在最暖时期的七、八月，雨水中也常夹带着雪花。尽管北冰洋海域降水总量不大，但在北冰洋中岛屿的低平部分，仍嫌水分过多，其原因是蒸发量太少。
还需指出，在北冰洋上空，每当七、八月份，常形成漫天低云，而且雾气弥漫，能见度极低。很显然，这与北冰洋这个冰冷的冰盖下垫面直接相关。
北冰洋表层广覆着冰盖，这是它水文上一个突出特点。北冰洋冰盖各部性质不同：首先，以北极为中心的北冰洋主体部分表层，分布着常年存在的北极冰丛。北极冰丛由巨大的冰块组成，冰块中常被裂缝或冰穴所分隔。一般冰块表面平坦或呈波状，但有时由于冰块与冰块互拥挤而成为凌乱的冰群。北极冰丛由于坚厚结实，最大的破冰船也难于通过；其次，具有分布于各边缘海近陆的岸冰。岸冰是冬季在岸边形成的，在暖和的七、八月份才逐渐融化，但是，就在这个季节，没有强大的破冰船开道，要进行航运也是十分困难的。
北冰洋浮冰的漂流，常受盛行风和海流的支配。首先在西北欧以北的巴伦支海及其附近海域，常年受北大西洋暖流（进入北冰洋后称北角洋流）的影响，浮冰随海流呈反时针方向环流，但它并不成为封闭的圆周运动，浮冰漂流先向东北，然后返向西和西南方向，併入东格陵兰寒流。东格陵兰寒流不仅把北冰洋的海水，也把大量的浮冰带入大西洋。据估计，东格陵兰寒流每年要从北冰洋带出10000km3的冰块。至于在太平洋和北美洲以北的海域，常受反气旋环流的支配，因而浮冰多呈顺时针方向流动。
在漂流的浮冰中，常见高突的冰山掺杂其间。这些冰山是从格陵兰、加拿大北部各岛、苏联北部一些岛屿以及斯匹次卑尔根等岛屿上的冰川滑落入海形成的。冰山露出海面常高达10—12m，沉入海水常至50—60m。冰山突兀在浮冰之间顺着东格陵兰寒流和拉布拉多寒流南下，随着水温和气温的增高，逐渐消融。至于未能流出北冰洋的冰山，在北冰洋中随浮冰漂流缓慢移动，常能保持几年时间才逐渐消减混入北极冰丛之中。
关于北冰洋水分平衡的收入，主要包括大气降水（雨雪），亚欧大陆和北美大陆注入的河水与通过挪威海进入北冰洋的北大西洋的水以及通过白令海峡进入北冰洋的少量太平洋海水。它的支出部分主要有蒸发和通过东格陵兰寒流和拉布拉多寒流流入大西洋的水。