A hegység éghajlata különleges földrajzi helyzete és domborzati viszonyai miatt meglehetősen eltér az országos adatoktól. A viszonylag nagy relatív szintkülönbségek (400-900 méter) miatt az éghajlat mérsékelt égövi - hegyvidéki jellegű. A hőmérséklet alakulását a hegyvidéki jelleg uralja, felfelé haladva az évi átlagos hőmérséklet 100 méterenként átlag 0,3 °C-kal csökken, és egyre kiegyenlítettebb. Az átlagos évi csapadék a nagy magasságkülönbség miatt annyira változó, hogy az „átlag adatok” kevés helyen reálisak. A kedvező klimatikus viszonyok a hegységben jelentős gyógyászati-gyógyüdülési lehetőségeket kínálnak.

A Mátra forrásokban, patakokban gazdag, mintegy 360 forrást ismerünk. Vízhozamuk változó, nagyban függ a csapadék mennyiségétől és 47 forrás hozama éri el a 10 l/perc mennyiséget. Az 1920-as évektől a szerveződő turistamozgalomnak köszönhetően számos forrás kiépítésre került. A legmagasabban, 960 m tengerszint feletti magasságban fakad Kékestető közelében a Disznó-kút. A Mátra legbővizűbb forrása a Kékes északi oldalában található Nagy-forrás, melynek vízhozama 20 liter/perc.

A hegység nyugati és keleti határának tekinthető két folyó a Zagyva és a Tarna számos mátrai vízfolyás vizét szállítja a Tiszába. A Mátrából ered a Zagyvának 62, a Tarnának 46 mellékága. Ezek képezik a terület kisvízfolyásait.

A kisvízfolyások többségére a nagy esés jellemző. Az egyik leglátványosabb és legérdekesebb a mintegy 8 méter magasról lezúduló Ilona-völgyi vízesés. Különösen csapadékos időben igen szép látványt nyújt, a patakmeder vadregényes sziklatömbjeire lehulló vízsugár. A tavaszi hóolvadás és a nyári záporok alkalmával nagy mennyiségű hordalékot szállítanak, száraz időben egy részük kiszárad.

Mátrai táj legfiatalabb színfoltjai az ivóvíztározók, amelyek a térség vízellátását biztosítják. A mátrai üdülőterületek, és a Mátra környéki települések növekvő vízigénye szükségessé tette a felszíni völgyzárógátas tárolók létesítését. A Nagy-völgy csúcsánál a Csór-réti-víztározó a Központi-Mátrát, a Parádsasvár fölötti Köszörű-völgyi-víztározó az Északi-Mátrát, a Hasznosi-víztározó pedig a Nyugati-Mátrát látja el ivóvízzel.