Karlıova ilçesi karasal iklim tipinin egemen olduğu bir bölgede yer almaktadır. Denizden yüksekliğinin fazla olması nedeniyle hava sıcaklığı çok düşüktür. İlçede kış mevsimi uzun, oldukça soğuk ve karlı geçmektedir. En yüksek sıcaklık temmuz-ağustos aylarında, en düşük sıcaklık ise ocak ve şubat aylarında görülmektedir. İlçede en soğuk ay ortalaması –35 derece; en sıcak ay ortalaması da 25 derecedir.

İlçede mevsimlere göre düzenli bir dağılım göstermeyen yağışlar, çoğunlukla kış ve ilkbahar aylarında görülür. Yaz ve sonbahar dönemlerinde ise iklim nispeten kuraktır. Esen rüzgarlar genellikle kuzey yönlü olduğundan iklimi daha da soğutmaktadır.