Washington có khí hậu nửa nhiệt đới, ẩm ướt (Phân loại khí hậu Köppen: Cfa), đây là khí hậu đặc trưng của khu vực các tiểu bang giữa duyên hải Đại Tây Dương (Mid-Atlantic states), có bốn mùa rõ rệt. Đặc khu nằm trong vùng chịu đựng nhiệt độ (Hardiness zone) cấp 8a gần trung tâm thành phố, và vùng chịu đựng nhiệt độ cấp 7b ở những nơi khác trong thành phố. Điều này chứng tỏ Washington, D.C. có một khí hậu ôn hòa. Mùa xuân và mùa thu khí hậu dịu, ít ẩm ướt trong khi mùa đông mang đến nhiệt độ khá lạnh và lượng tuyết rơi trung bình hàng năm là 16,6 in (420 mm). Nhiệt độ thấp trung bình vào mùa đông là quanh 30 °F (-1 °C) từ giữa tháng 12 đến giữa tháng 2. Những cơn bão tuyết gây ảnh hưởng cho Washington trung bình xảy ra cứ mỗi bốn đến sáu năm một lần. Những cơn bão mạnh nhất được gọi là "nor'easter" (bão đông bắc) thường có đặc điểm là gió mạnh, mưa nhiều và đôi khi có tuyết. Những cơn bão này thường ảnh hưởng đến phần lớn vùng ven biển Đông Hoa Kỳ.
Mùa hè có chiều hướng nóng và ẩm, nhiệt độ trung bình hàng ngày trong tháng 7 và tháng 8 vào khoảng 80-89 °F (khoảng 26,7-31,7 °C). Sự kết hợp giữa nóng và ẩm trong mùa hè mang đến những cơn bão kèm sấm chớp rất thường xuyên. Một số cơn bão lớn đôi khi tạo ra lốc xoáy trong khu vực. Trong khi đó các cơn bão nhiệt đới (hurricane), hay tàn dư của nó, đôi khi hoành hành trong khu vực vào cuối hè và đầu thu. Thường thì chúng bị yếu dần khi đến Washington, một phần vì vị trí của thành phố nằm bên trong đất liền. Tuy nhiên lụt lội trên sông Potomac do sự kết hợp của thủy triều cao, sóng biển dâng lên cao lúc có bão được biết đến là đã nhiều lần gây thiệt hại tài sản nặng nề tại Georgetown.
Nhiệt độ cao nhất kỷ lục tại Washington, D.C. là 106 °F (41 °C) được ghi nhận vào ngày 20 tháng 7 năm 1930 và ngày 6 tháng 8 năm 1918, trong khi nhiệt độ thấp nhất kỷ lục là −15 °F (−26.1 °C) được ghi nhận vào trong trận bão tuyết ngày 11 tháng 2 năm 1899. Trung bình, mỗi năm thành phố có 36,7 ngày nóng trên 90 °F (32 °C), và 64,4 đêm dưới độ đóng băng.