Pennsylvania hoàn toàn nằm trong vùng khí hậu lục địa, nhưng khí hậu thay đổi theo khu vực và độ cao. Bang trải qua bốn mùa, có thể thay đổi tùy theo vị trí. Mùa hè nóng, ẩm và kéo dài, đặc biệt là ở phía đông nam. Các khu vực miền núi mát mẻ hơn và có phần ít ẩm ướt hơn. Mùa thu là ôn hòa, trong khi mùa đông lạnh và có tuyết. Nhiệt độ ở khu vực xung quanh Hồ Erie nói chung là mát hơn.
Nói chung, tháng nóng nhất trong năm ở Pennsylvania là tháng Bảy và tháng lạnh nhất là tháng Giêng. Bang có nhiệt độ trung bình là 55,85 độ F, với nhiệt độ cao trung bình hàng năm là 64,7 độ F và nhiệt độ thấp trung bình hàng năm là 47 độ F. Nhiệt độ có thể lên tới trên 90 độ F ở các khu vực phía đông nam và tây nam trong những tháng nóng hơn. Vào tháng Giêng, nhiệt độ có thể giảm xuống 23 độ F. Bang có lượng mưa trung bình là 41,45 inch mỗi năm và lượng tuyết rơi trung bình là 23 inch mỗi năm. Lượng tuyết rơi gần Hồ Eire, nằm trong vành đai tuyết, có thể vượt quá 54 inch mỗi năm và tuyết rơi dày đôi khi tiếp tục vào tháng Tư. Pennsylvania đã trải qua một số trận lũ lụt hủy diệt, chẳng hạn như lũ lụt năm 1889, 1972 và 1977, gây ra nhiều chết chóc và tàn phá. Lốc xoáy cũng có thể ập đến khu vực này.
