W rejonie Barcelony znajdują się dwie główne stacje klimatyczne nadzorowane przez hiszpańską agencję meteorologiczną Agencia Estatal de Meteorología – w Obserwatorium Fabry (nr stacji: 0200E) znajdującą się na górzystych obrzeżach, na niezamieszkałym wzgórzu na wysokości 408 metrów oraz w międzynarodowym porcie lotniczym Barcelona (nr stacji: 0076) znajdującą się wybrzeżuStandard climate values, Cataluña – Agencia Estatal de Meteorología.. Istnieją też mniejsze stacje meteorologiczne w innych punktach aglomeracji.
Temperatura thumb|350px|Panorama miasta od strony portu w styczniu Średnia temperatura trzech najchłodniejszych miesięcy – grudnia, stycznia i lutego wynosi około 14 °C w dzień i 5 °C w nocy na wybrzeżu oraz 15 °C w dzień i 9 °C w nocy w centrum miasta, zima pod względem temperatury i nasłonecznienia przypomina kwiecień i październik w Polsce. W centrum miasta temperatury mogą być wyższe niż na wybrzeżu w związku ze zjawiskiem miejskiej wyspy ciepła. W najzimniejszym miesiącu roku – styczniu, temperatury wynoszą zwykle od 7 do 17 °C w ciągu dnia, od 2 do 10 °C w nocy, a średnia temperatura morza wynosi 13 °C. Średnia temperatura sześciu miesięcy letnich, od maja do października wynosi około 25 °C w dzień i 17 °C w nocy.