日本海属温带海洋性季风气候，每年12月至次年3月盛行东北季风，有干冷空气流入日本海，形成降温和降雪天气。最冷月(1月)平均气温北部为－19℃，南部为5℃，表层水温为 －2～13℃。北部特别是西伯利亚近岸海域形成大量海冰，结冰期通常自11月中旬到次年2月中旬。6月以后盛行偏南季风，暖湿气流使气温升高，形成充沛降水和雾 (尤其北部)。8月平均气温北部为16℃，南部达24℃。表层水温18～27℃。日本海海流由沿东岸北流的对马暖流和沿西岸南流的利曼寒流组成，形成反时针型的环流系统。海流增大了海区表层水温的南、北间和东、西间的差异。
日本海海区因被陆地和岛屿包围，海潮潮差较小，沿日本岸只有0.2米，西伯利亚近岸为0.4～0.6米，靠近东海的朝鲜海峡(大韩海峡)处的海潮潮差可达2米。
表层水温最暖月（8月）18～27℃，最冷月（1月）-2～13℃,自北向南递增。海域东部有对马暖流以926～1852米/小时的流速沿东岸北上，并从津轻海峡流入太平洋，从拉彼鲁兹海峡流入鄂霍次克海。西部有利曼寒流以370米/小时的流速沿西岸南下。东部水温高于西部，如2月，本州附近海岸水温5～10℃，而大陆一侧为0℃。海水盐度东部高于西部，如本州沿海为34.7‰，大陆沿海32.8～34.1‰。海域年降水量北部600毫米，南部1200～1500毫米。潮汐作用较小，潮差一般为0.2～0.4米。
根据现有的研究结果，在过去50年间，日本海北部的平均气温上升了1.5至3℃，日本海表层海水在冬季的下沉深度则由原来的3000米左右变成目前的400至600米。与之相对应的是，每升海水的氧气含量正以每年百万分之三十二的速度减少。 科研人员还指出，浮游生物的减少还意味着空气中将有更多的二氧化碳气体，这又反过来进一步加剧全球变暖的速度。联合国在今年1月发表报告指出，在1990年至2100年，地球表面的温度将升高1.4至5.8℃。
