Pensylwania znajduje się całkowicie w kontynentalnej strefie klimatycznej, ale klimat zależy od obszaru i wysokości. Stan doświadcza cztery pory roku, które mogą się różnić w zależności od lokalizacji. Lato jest gorące, wilgotne i długie, szczególnie na południowym wschodzie. Górzyste obszary są chłodniejsze i nieco mniej wilgotne. Jesień jest umiarkowana, a zima zimna i śnieżna. Temperatura w okolicy jeziora Erie jest ogólnie niższa.
Generalnie najgorętszym miesiącem w Pensylwanii jest lipiec, a najzimniejszym jest styczeń. Stan ma średnią temperaturę 55,85 stopni Fahrenheita, ze średnią roczną wysoką temperaturą 64,7 stopni Celsjusza i średnią roczną niską temperaturą 47 stopni Fahrenheita. Temperatury mogą osiągać ponad 90 stopni Fahrenheita w południowo-wschodniej i południowo-zachodniej części w cieplejszych miesiącach. W styczniu temperatura może spaść do 23 stopni Fahrenheita. Państwo otrzymuje średnio 41,45 cala opadów rocznie i średnio 23 cali opadów śniegu rocznie. Opady śniegu w pobliżu jeziora Eire, które znajduje się w pasie śniegu, mogą przekraczać 54 cale rocznie, a intensywne opady śniegu niekiedy dochodzą do kwietnia. W Pensylwanii doszło do kilku niszczycielskich powodzi, takich jak powodzie w 1889, 1972 i 1977 roku, które spowodowały śmierć i zniszczenie. Tornada mogą również uderzyć w obszar.
