Châu Nam Cực là lục địa lạnh nhất trên Trái Đất. Nhiệt độ tự nhiên thấp nhất ghi nhận được trên Trái Đất là −89,2 °C (−128,6 °F) tại trạm Vostokt của Liên Xô (nay là Nga) ở Nam Cực vào ngày 21 tháng 7 năm 1983.Nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ của nước đá khô 11 °C (20 °F) ở 1 atm áp suất riêng phần, nhưng vì CO2 chỉ chiếm 0,039% trong không khí, nhiệt độ dưới -150 °C có thể cần đạt được để tạo ra tuyết đá khô ở Nam Cực. Nam Cực là hoang mạc lạnh với lượng giáng thủy rất thấp; tại điểm Cực Nam lượng giáng thủy nhận được trung bình ít hơn 10 cm (4 in)/năm. Giá trị nhiệt độ thấp nhất nằm trong khoảng −80 °C (−112 °F) và −95 °C (−139 °F) trong nội địa vào mùa đông và lớn nhất khoảng 5 °C (41 °F) và 15 °C (59 °F) gần bờ biển vào mùa hè. Cháy nắng là một vấn đề về sức khỏe khi mà bề mặt băng tuyết phản xạ gần như toàn bộ tia tử ngoại chiếu lên nó. Theo vĩ độ, thời gian bóng tối kéo dài hoặc ánh sáng ngày liên tục tạo ra khí hậu rất khó chịu đối với con người ở hầu hết các nơi trên lục địa này.
Bề mặt băng tuyết ở trạm Dome Clà dạng đặc trưng của bề mặt Nam Cực.
Phần phía Đông Châu Nam Cực lạnh hơn phần phía Tây do nó có độ cao lớn hơn.Front khí hậu hiếm khi lấn vào sâu trong nội lục, khiến cho phần trung tâm lạnh và khô. Mặc dù không có mưa và tuyết trên phần trung tâm của lục địa, băng ở đây duy trì trong thời gian dài. Tuyết rơi dày phổ biến ở phần ven biển của lục địa, có nơi lượng tuyết rơi lên đến 1,22 mét (48 in) trong 48 giờ.
Ở rìa lục địa, gió Katabatic mạnh thổi qua cao nguyên cực với vận tốc gió bão. Trong nội lục, gió có tốc độ trung bình. Vào những ngày trời trong vào mùa hè, lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt Nam Cực nhiều hơn so với xích đạo do có 24 giờ nắng mỗi ngày ở Cực.
Nam Cực lạnh hơn Bắc Cực vì 3 lý do. Thứ nhất, hầu hết lục địa này cao hơn 3.000 m (9.800 ft) so với mực nước biển và nhiệt độ giảm theo độ cao ở tầng đối lưu. Thứ hai, Bắc Băng Dương bao phủ vùng cực Bắc: độ ấm tương đối của biển được truyền qua lớp băng và ngăn nhiệt ở các vùng Bắc Cực đạt đến nhiệt độ cực cao như ở vùng bề mặt Nam Cực. Thứ ba, Trái Đất đạt đến điểm viễn nhật vào tháng 7 (Trái Đất nằm xa Mặt Trời nhất trong mùa đông Nam Cực), và Trái Đất đạt điểm cận nhật vào tháng 1 (lúc đó Trái Đất gần mặt trời nhất vào mùa hè Nam Cực). Khoảng cách quỹ đạo góp phần làm cho mùa đông Nam Cực lạnh hơn (và mùa hè Nam Cực ấm hơn) so với Bắc Cực, nhưng hai nguyên nhân đầu là có ảnh hưởng mạnh nhất.
Nam Cực quang, thường được gọi là ánh sáng phương Nam, là một ánh sáng rực rõ quan sát được trên bầu trời đêm gần Nam Cực tạo ra bởi gió mặt trời với thành phần toàn plasma khi đi qua Trái Đất. Một cảnh tượng đặc biệt khác là bụi kim cương, một đám mây tầng thấp bao gồm các tinh thể băng nhỏ. Nó thường hình thành trong điều kiện trời trong hoặc gần trong, vì vậy mọi người đôi khi cũng gọi nó là bầu trời mưa trong. Mặt trời giả là một hiện tượng quang học trong khí quyển thường gặp, là một điểm sáng bên cạnh mặt trời thật.
