ارتفاعات شرقی و کوهستانی طالش سرد و پربرف و کنار رود قزل‌اوزن گرم و مرطوب است. طول مدت سرمای اين شهرستان بيش از پنج ماه است و برف سنگين زمستاني در پاره ای اوقات تردد در جاده های مواصلاتی این شهرستان را با اختلال مواجه می کند ( البته تلاش شبانه روزی ماموران اداره راهداری و حمل و نقل جاده ای خلخال در این مورد قابل تمجیداست ).

خلخال یک منطقه کوهستانی است که ارتفاع آن از شرق به غرب و از شمال به جنوب کاهش می‌ یابد؛ رشته کوه‌های تالش در شرق آن از شمال به جنوب کشیده شده‌است که مانند سدی ما بین استان گیلان و آذربایجان قرار گرفته‌است به طوریکه بر خلاف دامنه‌های شرق در دامنه‌های غربی آن در منطقه خلخال به جهت کاهش رطوبت و خشکی هوا، پوشش گیاهی انبوه و قابل توجهی ملاحظه نمی‌شود .
در این شهرستان رود مهم قزل‌اوزن و شاخه‌های آن مانند شاهرود ، هروچایی ، آرپاچایی و شنگ‌آباد جریان دارند که در نهایت به سد سفید روز و از آنجا به دریای خزر می‌ریزد.

مقدار بارندگی سالانه ثبت شده در ایستگاهها بطور میانگین حدود 300 میلیمتر است .