Климат юго-восточной части Тамбовской области, где располагается территория заповедника «Воронинский», умеренно-континентальный с устойчивой зимой и преобладанием теплой погоды летом. Самый тёплый месяц года – июль (ср. температура воздуха +20,4°С), самый холодный – январь (ср. температура –11,3°С).
Среднегодовая температура колеблется от +2 до +7°С (среднемноголетний показатель 5°С). Средняя дата первого заморозка 2 октября, последнего – 2 мая. Устойчивые морозы наступают в среднем 23 ноября, прекращаются 15 марта. В отдельные периоды, особенно в дни активной циклонической деятельности, в холодное время года на несколько дней устанавливаются оттепели с температурой атмосферного воздуха до +5 и даже +9°С. Продолжительность периода с температурой выше +5°С составляет около 180 дней, с температурой выше +10°С – от 140 до 148 дней.
Среднемноголетнее количество годовых осадков составляет 537 мм. Наибольшее количество осадков выпадает летом (более 30% от годового количества), наименьшее – весной (около 20%). Устойчивый снежный покров в среднем устанавливается в третьей декаде ноября и держится до третьей декады марта – первой декады апреля, средняя продолжительность залегания снежного покрова – 130 дней. Средняя максимальная высота снежного покрова в поле составляет 32 см, средняя максимальная величина запаса воды в снежном покрове в третьей декаде февраля – 81 мм.
Циркуляция воздушных масс зависит от распределения давления в пределах Евразии, Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Преобладающей воздушной массой является континентальный умеренный воздух. Морской умеренный воздух поступает обычно в циклонах и приносится ветром западных направлений. С его приходом летом наступает облачная, пасмурная и дождливая погода, зимой – снегопады, переход температур через 0°С. Приход континентального арктического воздуха обусловливает повышение атмосферного давления, понижение температуры, зимой – установление морозных дней, поздние весенние и ранние осенние заморозки. С континентальным тропическим воздухом связаны высокие температуры (35 – 40°С), низкая относительная влажность (25 – 30%) и засушливая погода. Преобладающее направление ветра в районе – юго-западное.
Прямая солнечная радиация составляет 44 – 45, рассеянная 46 – 47, суммарная 90 – 93 ккал/см². С апреля по сентябрь прямая солнечная радиация составляет 45 – 60% от суммарной. С марта по октябрь радиационный баланс положительный, с ноября по февраль – отрицательный. Переход баланса от отрицательного к положительному происходит в среднем в третьей декаде февраля, обратная смена знака баланса – в первой декаде ноября.