O clima na região sofre influência das massas de ares atlânticas polares e tropicais, provocando diferenças regionais dadas pela distância em relação ao mar e por fatores topoclimáticos, como as serras do Japi e de São Pedro.

Em toda a região predominam os ventos do sul. De modo geral, o clima é do tipo quente, temperado e chuvoso, apresentando três faixas de ocorrências, classificadas segundo a divisão internacional de Köeppen em:

- sub-tipo Cfb - sem estação seca e com verões tépidos, nas porções baixas das bacias;

- sub-tipo Cfa - sem estação seca e com verões quentes, nas partes médias das bacias;

- sub-tipo Cwa - com inverno seco e verões quentes, nas porções serranas, das cabeceiras.

O período chuvoso ocorre entre os meses de outubro e abril, e o de estiagem, entre maio e setembro. Os índices de precipitação pluviométrica, na média, variam entre 1.200 e 1.800 mm anuais.

Entretanto nos trechos das cabeceiras dos cursos formadores do rio Piracicaba, na região da Mantiqueira, à leste de Bragança Paulista, ocorrem as maiores precipitações pluviométricas, cujos índices superam os 2.000 mm anuais. Esses índices caem para 1.400 e 1.200 mm, nos cursos médios e baixos, respectivamente.

Na região mais a oeste, a temperatura aumenta e a precipitação diminui, ficando a média próxima de 1.300 mm. As chuvas convectivas são favorecidas pela presença da Serra de São Pedro, que facilita a formação de cúmulos-nimbos.

A bacia apresenta 102 estações de medição pluviométrica, das quais 73 estão em operação, e as demais extintas. Setenta estações pertence ao Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE) do Estado de São Paulo, seis são da Agência Nacional de Águas (ANA), dez tem a Companhia de Energia do Estado de São Paulo  (CESP) e 16 a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (Sabesp). Estas estações apresentam séries históricas com períodos de 15 a 60 anos de observação, porém somente partes destas séries tem seus dados consistidos. Os dados das precipitações médias mensais indicam que os meses menos chuvosos são julho e agosto (médias entre 25 e 40 mm), e que as maiores precipitações ocorrem em dezembro e janeiro (médias entre 190 e 270 mm).

Quanto à fluviometria, verifica-se que, embora existam na região 60 estações, apenas 46 encontram-se em operação, sendo 9 pertencentes à ANA, 19 ao DAEE, 19 à SABESP, 6 à CPFL e 7 à CESP. Na bacia do rio Capivari não existe nenhum posto em operação. Os valores extremos observados para as vazões médias mensais máximas e mínimas para as sub-bacias são: