Los climas de las tierras polares varían mucho en función de su latitud, proximidad del mar, elevación y topografía; aun así, todos comparten ciertas características «polares». Debido a las altas latitudes, la energía solar se limita a los meses de verano. Aunque puede ser considerable, su eficacia para elevar las temperaturas de la superficie está restringida por la alta reflectividad de la nieve y el hielo. Sólo en la cuenca polar central la radiación neta anual es inferior a cero. En invierno, el enfriamiento radiativo en la superficie se asocia con el frío extremo, pero, a alturas de unos pocos miles de pies por encima de la superficie, se pueden encontrar a menudo temperaturas hasta 20 a 30 °F (11 a 17 °C) más cálidas. Este tipo de inversiones térmicas se producen más del 90% de las veces en pleno invierno en el noroeste de Siberia y en gran parte de la cuenca polar. También son comunes sobre el casquete polar de Groenlandia y en los valles montañosos protegidos del Yukón y Yakutia. La temperatura superficial más baja jamás registrada en América del Norte se observó en Snag, Yukón (-81 °F, -63 °C), y se han observado temperaturas aún más bajas en Yakutia (-90 °F, -68 °C) y el norte de Groenlandia (-94 °F, -70 °C).
En las zonas polares continentales, el invierno se inicia hacia finales de agosto en el extremo norte y aproximadamente un mes más tarde cerca de la línea de los árboles. Las temperaturas siguen bajando rápidamente hasta aproximadamente diciembre. Los meses de enero, febrero y principios de marzo presentan condiciones uniformes con temperaturas medias de unos -35 °F (-37 °C) en el Ártico central siberiano y de -30 a -20 °F (-34 a -29 °C) en Norteamérica. Las temperaturas extremas más bajas en invierno se sitúan entre -54 y -46 °C (-65 y -50 °F). Una mejor indicación de las bajas temperaturas que afectan a los seres humanos la da la sensación térmica, una medida del poder de enfriamiento de la atmósfera sobre la piel humana. Alcanza un máximo al norte de la bahía de Hudson, donde los fuertes y persistentes vientos del noroeste, típicos del Ártico oriental canadiense, se combinan con las bajas temperaturas del aire. Esta zona es tormentosa en invierno, con nevadas moderadas (de 50 a 100 pulgadas), temperaturas rápidamente cambiantes e incluso lluvias ocasionales. En otros lugares, el clima continental invernal es tranquilo, con largos periodos de cielo despejado y escasas nevadas. La visibilidad puede ser escasa localmente si hay canales de agua abiertos en el hielo marino, y se reduce universalmente cuando el viento sopla nieve a la deriva. Las nevadas más escasas se dan en los desiertos polares de las islas del norte de Canadá y del norte de Groenlandia, donde la precipitación total anual suele ser inferior al equivalente a 10 centímetros de agua.
El invierno en el Ártico marítimo (las Aleutianas, la costa suroeste de Groenlandia, Islandia y el Ártico europeo) es un periodo de tormentas, vientos fuertes, precipitaciones intensas en forma de nieve o lluvia (esta última a nivel del mar) y temperaturas moderadas. La temperatura media del mes más frío rara vez está por debajo de los 20 °F (-7 °C), y se desconocen las temperaturas extremadamente bajas.
Las temperaturas del verano son más uniformes en todo el Ártico. En el margen meridional, la temperatura media mensual alcanza los 10 °C (50 °F), y en las situaciones continentales no son infrecuentes las rachas cortas de calor con temperaturas de entre 27 y 32 °C (80 °F), sol continuo y tiempo tranquilo; este tiempo suele terminar con tormentas eléctricas. En los climas marítimos, a lo largo de las costas, y en las islas del norte cuando hay aguas abiertas en el hielo marino, el verano es relativamente fresco. En el sur, las temperaturas son de unos 7 °C (45 °F), y descienden hacia el norte hasta los 4 °C (40 °F) o menos; apenas se alcanzan los 16 °C (60 °F), excepto en las cabeceras de los fiordos, como en el suroeste de Groenlandia, donde las influencias marinas son menos acusadas. La niebla y las nubes bajas están muy extendidas en las zonas marítimas, y en esta época del año estas zonas son las más nubladas del mundo. En las tierras que experimentan inviernos continentales, las precipitaciones son más intensas durante los meses de verano; son frecuentes las lluvias ligeras y los chubascos de nieve, pero la media de caída es baja. El verano es en todas partes una época de cambios bruscos. A un tiempo tranquilo y despejado, con sol y temperaturas de unos 50 °F (10 °C), le siguen vientos repentinos, que a menudo provocan un descenso de la temperatura de 20 a 30 °F (11 a 17 °C) y que van acompañados de nubes y niebla.
Los periodos libres de escarcha y de crecimiento son relativamente cortos en todo el Ártico. En su mayor parte, no hay un verdadero período libre de heladas; se han registrado heladas y algo de nieve en todos los meses del año. En algunos lugares cercanos a la línea de los árboles, sobre todo en el Ártico occidental canadiense, el período libre de heladas puede ser el mismo que el de las partes menos favorables de las praderas.
Al sur de la línea de los árboles en el subártico, las diferencias entre las situaciones continentales (cuenca del Mackenzie, interior del Yukón y Alaska y noreste de Siberia) y oceánicas (norte de Quebec-Labrador, norte de Escandinavia y norte de Rusia) son marcadas. Un máximo estival de precipitaciones y altas temperaturas estivales frecuentes (los medios de julio superan los 60 °F en el noreste de Siberia) en las regiones continentales contrastan con precipitaciones más intensas, a menudo con un máximo otoñal, y temperaturas estivales más bajas en las regiones oceánicas.
El océano polar central, junto con los mares de Beaufort y Siberia Oriental, tienen inviernos comparables a los del norte de Alaska y el noreste de Siberia. Las condiciones son estables durante largos periodos de baja velocidad de los vientos, cielos despejados -especialmente en la frontera con Siberia- y temperaturas que oscilan entre -20 y -40 °F (-30 y -40 °C). Las tormentas ocasionales que se originan en los mares de Barents y de Bering pueden penetrar en los sectores adyacentes de la cuenca polar y provocar un aumento temporal de la temperatura acompañado de nieve o ventiscas. En la cuenca polar central hay una superficie insignificante (menos del 1%) de aguas abiertas en invierno; en abril, las temperaturas del aire aumentan hasta que en junio comienza la fusión de la nieve y el hielo marino subyacente. Las temperaturas medias del verano no superan los 34 °F (1 °C) y van acompañadas de una nubosidad baja y niebla casi continuas.
El único clima helado extenso del hemisferio norte se encuentra en Groenlandia. En el sur, el clima de la capa de hielo interior tiene características marítimas con fuertes precipitaciones, principalmente de nieve procedentes de perturbaciones ciclónicas pasajeras. En el centro y el norte se desarrolla una situación continental, y las nevadas son menores. Aunque la temperatura del aire puede alcanzar a veces los 0 °C (32 °F), la temperatura media es mucho más baja que en el sur. Los fuertes vientos que soplan de la capa de hielo son comunes en todas las partes de la isla.
Las pruebas de las fluctuaciones de los glaciares sugieren un cambio climático significativo en las latitudes polares en el último milenio. En la primera mitad del siglo XX se produjo una mejora climática en el Ártico, con temperaturas más elevadas sobre todo en invierno y especialmente alrededor del Mar de Noruega. En general, la magnitud del calentamiento aumentó con la latitud, y en Svalbard las temperaturas invernales subieron 8 °C (14 °F). Asociado a los cambios climáticos se produjo una reducción radical del hielo marino alrededor de Svalbard y frente al suroeste de Groenlandia.
Las aves, los animales y, especialmente, los peces aparecieron más al norte que antes; en Groenlandia esto provocó un cambio en la economía, ya que su tradicional dependencia de las focas dio paso a la dependencia de la pesca, especialmente del bacalao, que se capturaba al norte del paralelo 70.
A principios de la década de 1940, sin embargo, se produjo un descenso de las temperaturas polares. Este enfriamiento climático generalizado continuó de forma intermitente hasta principios de la década de 1970. En esta época, el hielo marino no abandonó las zonas costeras en verano en el Ártico oriental canadiense por primera vez en la historia. En las dos décadas siguientes se produjo una inversión de esta tendencia, y los aumentos de temperatura más notables se produjeron en las tierras al norte del Océano Pacífico y alrededor de los mares de Barents y Groenlandia (un cambio de +2,7 °F en las temperaturas anuales).
No se conoce la causa subyacente de los cambios, aunque son el resultado directo de una mayor penetración de los vientos del sur en las regiones polares.