Denizli, Ege Bölgesi ve Akdeniz Bölgesi'nin kesişim noktasında yer aldığı için kendine özgü bir iklim yapısına sahiptir. Bu bölge, Aydın'dan sıcaklığı, Afyon'dan soğukluğu ve Muğla'dan nemi alarak, yazları sıcak ve kışları yer yer soğuk ancak genelde ılıman geçiren bir iklim sergiler. Afyon'a yakın olan Çardak ve Bozkurt ilçeleri, kışları sert ve yağışlı, yazları ise sıcak ve kurak geçerek tam anlamıyla karasal iklim özellikleri gösterir. Güneyde bulunan Acıpayam, Tavas ve Kale gibi ilçelerde ise Akdeniz iklimi hâkimdir; yazları sıcak, kışları ise ılıman geçer. Denizli'nin Ege Bölgesi'nde olmasına rağmen, güney kesimlerinde Akdeniz iklimi etkileri gözlemlenir. Denizli'de dağlar Ege Denizi'ne doğru dik uzandığı için, iç bölgelere doğru deniz etkisi hissedilmektedir. Yani, denizden gelen rüzgârlar, dağların paralel uzanması nedeniyle iç kesimlerde Sarayköy'den Honaz ilçesine kadar etkili olur. Çal, Çivril, Güney, Bekilli gibi ilçeler Uşak iline komşu olup, bu yerlerde karasal iklim özellikleri görülür; kışları yağışlı ve soğuk, yazları ise sıcak ve kurak geçer. Denizli merkezde ise kışlar ılıman geçer; kar yağışı çok nadir görülür ve yazlar oldukça sıcak geçer. Denizli ikliminde en yüksek sıcaklık 42.4 derece, en düşük sıcaklık ise -10.2 derece olarak ölçülmüştür. Ortalama yıllık sıcaklık ise yaklaşık 16.5 derecedir. Yıllık yağış ortalaması ise 547 milimetredir.

Denizli'nin yaklaşık %51'lik kısmı ormanlarla kaplıdır. Oksijen ve doğal ortam bakımından oldukça zengin olan Denizli'de, çayır ve meralar %10, ekili ve dikili arazi %35'tir. Ekime müsait olmayan kesim ise %4'lük dağlık kesimdir. İldeki bitki örtüsü çoğunlukla orman ve Akdeniz iklimine has olarak bilinen kısa bodur makilerden oluşur. Ormanlarda kızılçam, karaçam, sedir, ardıç, meşe, kayın ve dişbudak gibi ağaçlar bulunur. Ormanların başladığı sınırların altındaki alanlar ise çalılık ve fundalıklarla kaplıdır.