Średnia roczna temperatura w wieloleciu 1961–2005 dla stacji na Muchowcu wynosi 8,1 °C, lecz zaznacza się tu też zjawisko miejskiej wyspy ciepła, która lokalnie modyfikuje temperaturę powietrza. Najcieplejszym miesiącem jest lipiec (17,8 °C), a najchłodniejszym styczeń (–2,2 °C). Średnie roczne usłonecznienie w wieloleciu 1966-2005 wynosiło 1474 godziny. Średnia roczna suma opadów dla wielolecia 1951–2005 wynosiła 713,8 mm.
Topoklimat Wełnowca-Józefowca jest zależny od stopnia zalesienia, zurbanizowania, a także od położenia względem dolin rzecznych. Cały obszar Wełnowca-Józefowca leży w topoklimacie zabudowanych, wyżej położonych dolin, gdzie notuje się warunki średnio korzystne. Przy zwartej zabudowie i utwardzonych placach powietrze szybciej się nagrzewa w ciągu dnia, a także przy mniejszej wilgoci szybciej traci ciepło.
Wody powierzchniowe i podziemne Obszar Welnowca-Józefowca w całości położony jest w dorzeczu Wisły, w zlewni dwóch rzek: Brynicy (niewielki, wschodni fragment dzielnicy przy granicy z Siemianowicami Śląskimi) i Rawy. Pomiędzy tymi zlewniami przebiega dział wodny IV rzędu. Zarówno Rawa, jak i Brynica nie przepływa bezpośrednio przez Wełnowiec-Józefowiec. Jedynym zbiornikiem wodnym na terenie dzielnicy jest staw przy skrzyżowaniu ulicy Konduktorskiej i alei W.