山口県の気候は地域により日本海型、内海型、山地型の3つに区分される。 県東部の山間部は山地型に属し、他の地域に比べ平均気温は低く降水量は多い。 県東部の瀬戸内側は内海型に、県西部などその他の地域は日本海型に属し、共に山地型に比べ平均気温は高く降水量は少ない。 ただし冬期には、内海型の地域では季節風は弱く晴れる日が多いが、その他の地域では季節風が強く曇る日が多い。
本州の最西端に位置する山口県は、東は広島・島根の両県に接し、西および北は響灘・日本海、南は瀬戸内海に面し、 関門海峡を隔てて九州と対しており、長い海岸線をもっている。
地形的には東部の広島県と島根県境にある寂地山を最高に西に行くにしたがって500メートル程度の山地を広げている。 山がちであっても至る所に小盆地や河岸段丘などの低地があり、海岸には狭く小さな平地が開けている。
県の中央部にある秋吉台や鍾乳洞は地学的に有名なところで古い時代の地層から新しい地層に至るまできわめて複雑な地質の分布となっている。 分水嶺は大きく北に偏在しており、周防部には比較的大きな川が多いが、対する長門部では大きな川は阿武川だけである。
年平均気温は、図1に示すように県東部の山間部で13℃くらいであるが、沿岸部では日本海側、瀬戸内側とも15℃くらいと高く、 特に下関は16.7℃で海洋の影響が顕著に現れている。
気温の特性を示すものの一つに、1日の気温の変化の大きさを表す日較差(日最高気温と日最低気温の差)がある。 一般に沿岸部では海の影響で日較差が小さい。
下関と山口の月平均日較差を比べてみると、下関は山口に比べて小さく、 特に春秋期は下関が6℃くらいであるのに比べ山口では11℃くらいとなっており、人々の生活環境や農作物の育成管理にも大きな影響を与えている。
年降水量は、図2に示すように東部県境に2200mm以上の最多域があり、2000mm前後の多雨域が中国山地沿いに西に延び、 瀬戸内側沿岸部で1600〜1800mm、日本海側沿岸部で1700〜1800mmである。
月毎の降水量を見てみると、梅雨期と台風期にピークが現れ、さらに日本海側沿岸部や山間部では冬期にも小さなピークがある。 日降水量100mm以上の大雨は4月から10月までの暖候期に降っており、中でも200mmを超える豪雨は6月から9月に限られている。
平年の梅雨入りは6月5日頃である。一方平年の梅雨明けは7月19日頃であり、梅雨期間は40日くらいである。 梅雨期間の総降水量は年降水量のおよそ1/4である。災害面からみると、6月下旬から7月上旬にかけて集中豪雨による土砂災害や浸水害の発生が多くなる。
北西の季節風が卓越する冬型の気圧配置では、日本海上に流れ込む寒気の影響で発生する雲により雪が降る。 初雪は県東部の山間部で最も早く11月の終わりから12月の初め頃、瀬戸内側沿岸部の東部では最も遅く12月下旬頃となる。 積雪は山間部で深い時で20〜40cmであるが、沿岸部では数cm以下と少ない。
冬期、下関・萩など県の西部や北部では、黄海や日本海を吹き渡る北西の季節風をまともに受けるため風が強く、 萩の冬期におけるこれまでの最大風速は 27.0m/s(1970.1.30)である。 これは県下に甚大な倒木被害をもたらした平成3年の台風第19号の時の萩での最大風速22.2m/sを上まわる暴風である。 冬の季節風は急に吹き出して長時間続くことが多く、海は大しけになり船舶の遭難に結びつくことがある。
秋吉台は、面積130平方キロメートルにわたる日本でいちばん広い石灰岩台地である。 ここは今から約3億5千万年前、古太平洋でサンゴ礁として誕生した。 このサンゴ礁は海洋プレート上にできた火山の海面付近で発達しながら大陸側へ1億3千万年かけて移動した。 その後、海洋プレートが大陸の下に潜り込む際、サンゴ礁の部分が剥ぎ取られ崩壊し、大陸側にくっつき競り上がって海面に姿を現した。 秋吉台はこの時の地殻変動で地層の一部が逆転した。
秋吉台にはカルスト地形とよばれる石灰岩が水に溶けるためにできた地形が発達し、とても美しい風景となっている。 そして、台地の「カレンフェルド」といわれる石の柱が密集した地域(羊群原とも呼ばれる)や地下で発見された420におよぶ鍾乳洞は見事である。 (カルストとはスロベニアの地方名。この地は石灰岩からできており、あたり一面に石灰岩の岩肌がでてる。その結果このような地形のところをカルスト地形と呼んでいる。)