Het klimaat van de poolgebieden varieert sterk, afhankelijk van de breedtegraad, de nabijheid van de zee, de hoogte en de topografie; toch hebben ze allemaal bepaalde “polaire” kenmerken gemeen. Door de hoge breedtegraden is zonne-energie beperkt tot de zomermaanden. Deze kan weliswaar aanzienlijk zijn, maar de doeltreffendheid ervan voor de verhoging van de oppervlaktetemperaturen wordt beperkt door de hoge reflectiviteit van sneeuw en ijs. Alleen in het centrale poolgebied daalt de jaarlijkse netto straling tot onder nul. In de winter gaat radiatieve afkoeling aan de oppervlakte gepaard met extreme koude, maar op een hoogte van een paar duizend voet boven de oppervlakte kunnen vaak temperaturen worden aangetroffen die 20 tot 30 °F (11 tot 17 °C) warmer zijn. Temperatuurinversies zoals deze komen meer dan 90 procent van de tijd voor in het noordwesten van Siberië en over een groot deel van het Poolbekken. Ze komen ook vaak voor boven de Groenlandse ijskap en in de beschutte bergvalleien van de Yukon en Yakutia. De laagste oppervlaktetemperatuur ooit gemeten in Noord-Amerika werd waargenomen in Snag, Yukon (-81 °F, -63 °C), en nog lagere temperaturen zijn waargenomen in Yakutia (-90 °F, -68 °C) en Noord-Groenland (-94 °F, -70 °C).
Het is gebruikelijk geweest de poolklimaten in twee grote groepen in te delen, namelijk die welke overeenkomen met het klimaat van de ijskappen, waarin geen enkele gemiddelde maandtemperatuur hoger is dan 32 °F (0 °C), en de toendraklimaten, met ten minste één maand boven 32 °F maar geen enkele maand boven 50 °F (10 °C). Een meer bevredigende indeling is ze in te delen in de polaire zeeklimaten, voornamelijk gelegen op de noordelijke eilanden en de aangrenzende kusten van de Atlantische en Stille Oceaan, waar de wintertemperaturen zelden extreem laag zijn en veel sneeuw valt; en de polaire continentale klimaten, zoals in het noorden van Alaska, Canada, en Siberië, waar de winters intens koud zijn en over het algemeen weinig sneeuw valt. Tot het polaire continentale klimaattype behoren de eilanden van de Canadese Arctische Archipel, die in de winter slechts in geringe mate door de zee worden beïnvloed vanwege het dikke, ononderbroken zee-ijs. Naast deze twee klimaten zijn er kleinere overgangszones, beperkte gebieden met “ijsklimaten”, het klimaat van het poolbekken en, aan de zuidkant van de boomgrens, de subarctische klimaten.
In de polaire continentale gebieden begint de winter tegen eind augustus in het hoge noorden en ongeveer een maand later dichter bij de boomgrens. De temperaturen blijven snel dalen tot ongeveer december. In januari, februari en begin maart heersen gelijkmatige omstandigheden met gemiddelde temperaturen van ongeveer -35 °F (-37 °C) in het centrale Siberische deel van de Noordpool en -30 tot -20 °F (-34 tot -29 °C) in Noord-Amerika. De laagste extreme temperaturen in de winter liggen tussen -65 en -50 °F (-54 en -46 °C). Een betere indicatie van lage temperaturen zoals die de mens treffen, wordt gegeven door de gevoelstemperatuur, een meting van de koelkracht van de atmosfeer op de menselijke huid. De gevoelstemperatuur bereikt een maximum ten noorden van Hudson Bay, waar de sterke en aanhoudende noordwestenwinden, die typisch zijn voor het Canadese oostelijke noordpoolgebied, samengaan met lage luchttemperaturen. Dit gebied is stormachtig in de winter, met matig veel sneeuwval (50 tot 100 inches), snel veranderende temperaturen en zelfs af en toe regen. Elders is het winterse continentale klimaat rustig, met lange perioden van heldere hemel en weinig sneeuwval. Het zicht kan plaatselijk slecht zijn als er open watergeulen in het zee-ijs zijn, en het wordt universeel minder als de wind stuifsneeuw blaast. De minste sneeuw valt in de poolwoestijnen van de noordelijke Canadese eilanden en Noord-Groenland, waar de totale jaarlijkse neerslag vaak minder dan het equivalent van 4 inches water bedraagt.
De winter in het maritieme Noordpoolgebied (de Aleoeten, de zuidwestkust van Groenland, IJsland en het Europese Noordpoolgebied) is een periode van stormachtigheid, harde wind, zware neerslag in de vorm van sneeuw of regen (de laatste op zeeniveau), en gematigde temperaturen. De gemiddelde temperatuur van de koudste maand is zelden lager dan 20 °F (-7 °C), en extreem lage temperaturen zijn onbekend.
De zomertemperaturen zijn gelijkmatiger over het gehele Noordpoolgebied. Aan de zuidelijke rand bereikt de maandelijkse gemiddelde temperatuur 50 °F (10 °C), en in continentale situaties zijn korte perioden van warm weer met temperaturen in de 80 °F (27-32 °C), ononderbroken zonneschijn en rustig weer niet ongewoon; dergelijk weer eindigt vaak met onweersbuien. In de zeeklimaten, langs de kusten, en op de noordelijke eilanden wanneer er open water is in het zee-ijs, is de zomer relatief koel. In het zuiden is de temperatuur ongeveer 45 °F (7 °C), afnemend naar het noorden tot 40 °F (4 °C) of minder; een maximum van 60 °F (16 °C) wordt bijna nooit bereikt, behalve aan de koppen van fjorden zoals in het zuidwesten van Groenland, waar de mariene invloeden minder uitgesproken zijn. Mist en lage bewolking zijn wijdverspreid in maritieme gebieden, en in deze tijd van het jaar zijn deze gebieden de meest bewolkte ter wereld. In landen met continentale winters valt de meeste neerslag in de zomermaanden; lichte regen- en sneeuwbuien komen vaak voor, maar de gemiddelde neerslag is gering. De zomer is overal een tijd van plotselinge veranderingen. Kalm, helder weer met zonneschijn en temperaturen van ongeveer 50 °F (10 °C) wordt gevolgd door plotselinge winden, die vaak een temperatuurdaling van 20 tot 30 °F (11 tot 17 °C) veroorzaken en gepaard gaan met bewolking en mist.
De vorstvrije perioden en de groeiperioden zijn in het hele noordpoolgebied betrekkelijk kort. Voor het grootste deel is er geen echte vorstvrije periode; vorst en enige sneeuw zijn in elke maand van het jaar geregistreerd. Op enkele plaatsen dichtbij de boomgrens, met name in het Canadese westelijke noordpoolgebied, kan de vorstvrije periode dezelfde zijn als in de minder gunstige delen van de prairies.
Zuidelijk van de boomgrens in het subarctische gebied zijn de verschillen tussen continentale (Mackenzie Basin, het binnenland van Yukon, en Alaska en het noordoosten van Siberië) en oceanische (het noorden van Quebec-Labrador, het noorden van Scandinavië en het noorden van Rusland) situaties duidelijk. Een zomers neerslagmaximum en frequente hoge zomertemperaturen (in juli meer dan 60 °F in Noordoost-Siberië) in de continentale gebieden staan in contrast met zwaardere neerslag, vaak met een herfstmaximum, en lagere zomertemperaturen in de oceanische gebieden.
De centrale poolzee, samen met de Beaufortzee en de Oost-Siberische zee, hebben winters die vergelijkbaar zijn met die in Noord-Alaska en Noordoost-Siberië. De omstandigheden zijn stabiel gedurende lange perioden met lage windsnelheden, heldere luchten – vooral aan de grens met Siberië – en temperaturen van -20 tot -40 °F (-30 tot -40 °C). Incidentele stormen vanuit de Barentszee en de Beringzee kunnen de aangrenzende sectoren van het poolbekken binnendringen en een tijdelijke temperatuurstijging veroorzaken die gepaard gaat met sneeuw of stuifsneeuw. In de winter is er een te verwaarlozen gebied (minder dan 1%) open water in het centrale poolbekken; tegen april stijgt de luchttemperatuur tot in juni het smelten van de sneeuw en het onderliggende zee-ijs begint. De gemiddelde zomertemperaturen komen niet boven 34 °F (1 °C) uit en gaan gepaard met vrijwel voortdurend lage bewolking en mist.
Het enige uitgestrekte ijsklimaat op het noordelijk halfrond bevindt zich op Groenland. In het zuiden heeft het klimaat van de ijskap in het binnenland maritieme kenmerken met zware neerslag, voornamelijk sneeuw van passerende cycloonstoringen. In het midden en noorden ontstaat een continentale situatie en is de sneeuwval minder. Hoewel de luchttemperatuur soms kan oplopen tot 32 °F (0 °C), is de gemiddelde temperatuur veel lager dan in het zuiden. Sterke winden die van de ijskap blazen, komen in alle delen van het eiland voor.
Het bewijs van gletsjerschommelingen wijst op aanzienlijke klimaatveranderingen in poolgebieden in het afgelopen millennium. In de eerste helft van de 20e eeuw was er sprake van een klimatologische verbetering in het noordpoolgebied, waarbij vooral in de winter en vooral rond de Noorse Zee hogere temperaturen werden gemeten. In het algemeen nam de omvang van de opwarming toe met de breedtegraad, en in Svalbard stegen de wintertemperaturen met 14 °F (8 °C). De klimaatveranderingen gingen gepaard met een radicale vermindering van het zee-ijs rond Spitsbergen en ten zuidwesten van Groenland.
Vogels, dieren en vooral vis verschenen noordelijker dan voorheen; in Groenland leidde dit tot een verandering in de economie, omdat de traditionele afhankelijkheid van zeehonden plaats maakte voor afhankelijkheid van de visserij, met name kabeljauw, die ten noorden van de 70e breedtegraad werd gevangen.
In het begin van de veertiger jaren van de vorige eeuw trad er echter een daling op in de pooltemperaturen. Deze wijdverbreide afkoeling van het klimaat hield met tussenpozen aan tot het begin van de jaren 1970. In deze periode bleef het zee-ijs in de zomer in het oostelijk deel van het Canadese Noordpoolgebied voor het eerst sinds mensenheugenis uit de kustgebieden liggen. In de volgende twee decennia volgde een omkering van deze trend, waarbij de meest opvallende temperatuurstijgingen zich voordeden in de landen ten noorden van de Stille Oceaan en rond de Barentszee en Groenland (een verandering van +2,7 °F in jaarlijkse temperaturen).
De onderliggende oorzaak van de veranderingen is niet bekend, hoewel zij rechtstreeks het gevolg zijn van een toegenomen penetratie van zuidelijke winden in de poolgebieden.