经统计，位于祁连山北坡的西水地面气象站4～8月份日照时数较长，日照时数差异较小。西水地面气象站日照时数年内变化表现为夏季最大、春秋季次之、冬季最小，日照时数除受可照时间影响外，它还与天气状况有很大的关系，这主要是由于夏季云量增多，降水较多，抵消了纬度的影响，致使4～8月份日照时数无明显差异，甚至4月份比7月份还长；进入冬季以后，虽然可照时间相对缩短，但由于受蒙古高压的控制，气候严寒干燥，多为晴朗低温天气，因而冬季日照时数与夏季日照时数相比变化幅度小。因此，其年内变化又表现出与可照时间变化的不一致性。在北坡形成了比较稳定的温度空间，为林木的更新创造了积极因素。
祁连山区年平均气温都在4℃以下，随着高度的升高气温逐渐降低，递减率为0.58℃/100m。山顶的温度一般低于0℃，常年都有积雪。最冷的1月平均气温低于-11℃，最热的7月平均气温低于15℃，12月至次年3月，祁连山区大部分地区气温都在0℃以下，4～10月最高气温在4～15℃之间。祁连山区平均气温的空间分布形势比较稳定，年际变化很小，气温最低中心常年位于西段海拔较高的托勒山附近，气温的等值线走向与地形廓线基本一致，这说明影响祁连山附近气温分布的主要因素是地形即海拔高度，地理纬度的影响次之。
祁连山区的降水特征与气温不同，不但受海拔高度的影响，而且受所处的纬度、经度，以及地形的坡向和坡度的影响。降水的季节、年际变化都比较大，这主要是由于降水的影响因素较为复杂造成的。祁连山林区是河西走廊降水较多的区域，年降水量在400mm左右，降水变率在0.60左右。降水主要集中在5～9月，占年总量的89.7%。随着海拔升高降雨日增加，降水量增多。在祁连山北坡中部降水量总的变化特征是海拔每升高100米，降水量增加4.3%。随着海拔升高，亦出现了蒸发量减少，相对湿度增加，绝对湿度下降的趋势。海拔在3000m以下，降水递增率呈高峰型；3000～3400m降水递增缓慢；3400～3600m递增又呈高峰型。当海拔超过3600米时，由于接近山顶，风速加大，降水量多为固态，降水量出现下降趋势。试验区相同海拔高度3400m阴坡年均降水量比阳坡高5.21%，阴阳坡降水增减率有明显差异。
祁连山东侧由于受夏季季风的影响降水量最多，如门源站年降水量为519mm，向西北方向逐渐减少，肃北站年降水量只有150mm左右。祁连山区比周围地形较低的地区降水量要多，如托勒站与酒泉站相距不到100KM，但年降水相差200mm。降水量随着高度的递增呈现出“S”型曲线变化的趋势，有一个降水量的“极大高度”和“极小高度”，“极大高度在1800～2800m之间，“极小高度”在2200～3600m之间，一般是祁连山东南部高度较低，向西北逐渐升高。
由于祁连山地处内陆腹地，不但受东南季风输送来的暖湿气流影响，而且还受西风流带来的大西洋冷湿气流的影响，在盛夏期间一定程度上还受到翻越青藏高原的印度洋暖湿气团的影响，水汽来源较为复杂，加上山区夏季对流性降水的影响，使得祁连山降水的年际变化较大。冬季12月～2月降水量较少，月降水量不超过5mm，7月和8月降水量最多，东段月降水量最多可达110mm。
河西走廊西部区主要受西风带系统的影响，降水较少，变率较大。祁连山东部区主要受西南或东南暖湿气流的影响，降水量比较大，变率较小。祁连走廊中部区由于高山的阻挡，西风带系统和东南暖湿气流的影响减小，形成不同于其它区的降水特征。较大量的降水，较大的湿度，为幼树的生长发育提供了充足的水分保障。经西水站测定，降水总的变化特征是海拔每升高100m，年降水量平均递增4.99%。海拔在3000m以下，降水递增率呈高峰型；3000～3400m降水递增缓慢；3400～3600m递增又呈高峰型；当海拔超过3600m时，降水量递增缓慢，山顶处呈下降态势。
祁连山位于青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的交汇处，受青藏高原气候和荒漠气候影响，气温高，冷热剧变，相对湿度低，所以蒸发强烈。经统计，祁连山西水地面气象站多年平均蒸发量为1043.3mm，蒸发年内分配很不均匀，蒸发主要集中在4～9月，占年蒸发量的75.1%，最大月蒸发量出现在6月份，占年蒸发量的14.4%，最小月蒸发量出现在1月份，占年蒸发量的2.4%。
祁连山水系呈辐射－格状分布。辐射中心位于北纬38°20′，东经99°，由此沿冷龙岭至毛毛山一线，再沿大通山、日月山至青海南山东段一线为内外流域分界线，此线东南侧的黄河支流有庄浪河、大通河、湟水，属外流水系；西北侧的石羊河、黑河、托来河、疏勒河、党河，属河西走廊内陆水系；哈尔腾河、鱼卡河、塔塔棱河、阿让郭勒河，属柴达木的内陆水系；还有青海湖、哈拉湖两独立的内陆水系。河流流量年际变化较小，而季节变化和日变化较大。祁连山脉东部的乌鞘岭、冷龙岭、日月山一线是中国西北地区内流区与外流区的分界线。此线以东的庄浪河、大通河、湟水皆汇入黄河，此线以西的河流皆为内流河。
祁连山储水以冰川为主，冰川融水出流形成祁连山水系。根据中国科学院原冰川冻土研究所的统计，祁连山共有冰川 3306条，面积达2060. 0平方公里左右，约占我国冰川总面积.0平方公里的3. 7%。现代冰川下限，北坡为4100.0～4300. 0m，南坡4300.0～4500. m，且西部较东部高200.0～300. 0m。冰川总储水量约为1145.0亿立方米QH省地理志记为1320亿立方米，大体相当于河西地区年径流量的15倍，冰雪融水主要补给山北的河西走廊和山南的大通河。冰川沿山脊成羽状分布其分布特征是：东经99°以东的走廊南山、冷龙岭，降水条件较好，冰川数量多、规模小，多数是悬冰川和冰斗冰川；东经 99°以西地区冷储大，冰川数量少但规模大，多数是山谷冰川，有大雪山、斑赛尔山索珠连峰、疏勒南山、土尔根达板山和党河南山5个较大的冰川区。山系内最长的山脉一走廊南山冰川数目数最多，最高的山脉一疏勒南山冰川面积最大。
最大的冰川是大雪山的老虎沟 12号冰川和土尔根达坡的敦德冰川。老虎沟 12号冰川属山谷冰川类型，长 10.1公里，面积为 21.9平方公里，冰储量达 2.6立方公里，折水量约 22.0亿立方米。敦德冰川跨甘肃、青海两省之间，为两省共有，属平顶冰川类型，面积 57.1平方公里，长度 6.2公里，冰储量4. 3km3，折水量约 36.0亿立方米冰川的平均厚度为 50米，最大厚度在老虎沟 12号冰川为 120.0米。
位于SNYGZ自治县西部陶赖山北坡、距JYG市约116公里的“七一”冰川，则属冰斗山谷冰川，全长 30.5公里。该冰川的冰舌部海拔 4302米，冰峰海拔 5145米，冰川面积约 5平方公里。冰层平均厚度为78米左右，最厚处达 120米，年储水量约为 1.6亿立方米，融水量 70万- 80万立方米，成为一个大固体淡水水库。“七一”冰川系我国科学院兰州分院的科学家和原苏联专家于1958年 7月 1日发现，并以登上冰川的日期命名的。它的被发现，标志着中国冰川研究的起步，所以有着特殊的地位。
各时代地层大致分布及赋存有关矿产如下：中晚元古界分布于北祁连和中祁连等地，赋存有金、铜、铅锌、铁、钨、锰等矿产；寒武系分布于北祁连，赋存的矿产有铜铅锌、金、磷、钒、铀等矿产；奥陶系主要分布于北中南祁连，赋存的矿产有铜、铅锌、金；志留系分布于南北祁连，赋存的矿产有铜、金、铁、铅锌；泥盆系分布于北祁连，赋存的矿产有金、铅锌、汞；石炭系分布于北中南祁连，赋存的矿产有煤、金、铁、铅锌；二叠系在南北祁连，赋存矿产有金、铁、煤；三叠系主要分布于南北祁连，赋存矿产有金、汞、锑；侏罗系在祁连山有分布，赋存的矿产有煤、石油；白垩系在祁连山有较广泛分布，赋存的矿产有煤、石油；新生界在祁连山分布广泛，赋存的矿产有石膏、盐类、砂金矿等。