Գեղարքունիքի կլիման լեռնային է։ Ձմեռները երկար, խստաշունչ և ձնառատ են, իսկ ամառները՝ զով ու արևոտ։ Մարզի տարածքի մեծ մասը գտնվում է 2000-3500 մ բարձրությունների վրա, ինչի պատճառով ձևավորվում է կայուն ձնածածկույթ։ Ձմռանը միջին ջերմաստիճանը հասնում է -5°C-ից մինչև -12°C, իսկ բարձրադիր շրջաններում ձյունը պահպանվում է շուրջ 100 օր։ Տեղումների տարեկան միջին քանակը կազմում է մոտ 490 մմ։
Սևանա լիճը զգալիորեն մեղմացնում է ափամերձ շրջանների կլիման՝ նվազեցնելով ձմռան սառնամանիքը և ամռան շոգը։
Ամառները հիմնականում զով են, սակայն արևոտ օրերին կարող են լինել բավական տաք։ Միջին ջերմաստիճանը հասնում է +16°C-ից մինչև +20°C։ Բարձրադիր շրջաններում տարեկան տեղումների քանակը երբեմն հասնում է 1000 մմ-ի։
Գեղարքունիքը հայտնի է նաև արևափայլի մեծ տևողությամբ։ Տարեկան արևափայլի միջին տևողությունը գերազանցում է 2700-2800 ժամը։ Հանրապետության ամենաարևոտ բնակավայրերից մեկը Մարտունին է, որտեղ արևափայլի տարեկան տևողությունը կազմում է շուրջ 2779 ժամ։
