Kommunens klima påvirkes i høj grad af det omkringliggende hav og det kuperede, lerede morænelandskab. Nærheden til det europæiske kontinent betyder desuden, at kommunen ofte rammes af hhv. sommervarme og vinterkulde, der blæser op fra fastlandet. Havet dæmper dog en del af temperaturudsvingene, og da det forbliver lunt om vinteren, er Sønderborg landets varmeste kommune fra oktober til marts. Set over hele året er den sammen med Københavns og Hvidovre Kommuner endda Danmarks næstvarmeste kommune, kun overgået af Frederiksberg Kommune.
Det overvejende bakkede terræn og Den Jyske Højderyg længst mod vest skaber en del skyer og nedbør. På sin vej over højderyggen tørrer luften dog ud, hvilket gør Sønderborg til Sønderjyllands tørreste kommune med en årsnedbør, som ligger en smule under landsgennemsnittet. Det betyder derfor også, at der falder mest nedbør omkring Gråsten i kommunens vestlige del, mens Als i øst er mere nedbørsfattig.
Samlet set ligger antallet af solskinstimer tæt på landsgennemsnittet. På grund af skyerne, der følger med nedbøren, får det mere nedbørsfattige Als mest sol, mens fastlandet i vest får mindst.
