La Serbie connaît un climat continental sur la plus grande partie de son territoire, avec des hivers froids, des étés chauds et des saisons intermédiaires brèves. Le nord, ouvert sur la plaine de Pannonie, subit des contrastes plus marqués que le sud, où des influences méditerranéennes remontent par les vallées. L'altitude ajoute une troisième nuance, celle des massifs enneigés une bonne partie de l'année froide.
La Voïvodine et la vallée du Danube relèvent d'un climat continental franc. L'hiver y apporte du gel et des brouillards persistants, l'été des vagues de chaleur sèche. Plus au sud, les vallées de la Morava et les bassins proches de la Macédoine du Nord bénéficient d'hivers un peu plus doux et d'automnes plus longs. Les massifs de l'ouest et du sud-ouest reçoivent davantage de pluie et connaissent des étés nettement plus frais.
Belgrade enregistre environ 2 degrés de moyenne en janvier et près de 24 degrés en juillet. Niš affiche des valeurs voisines, avec un hiver légèrement plus froid. En montagne, l'écart devient net, puisque le Kopaonik descend sous moins 4 degrés en janvier et dépasse à peine 13 degrés en juillet. Les extrêmes nationaux vont de moins 39,5 degrés relevés sur le plateau de Pešter en 2006 à 44,9 degrés à Smederevska Palanka en 2007.
Les plaines reçoivent de 550 à 700 millimètres de précipitations par an, assez régulièrement réparties, avec un maximum de fin de printemps. Les reliefs de l'ouest, autour de la Tara et de la Zlatibor, ainsi que le Kopaonik, dépassent souvent 1 000 millimètres. La neige couvre le sol une trentaine de jours par an dans les basses terres et plus de quatre-vingt-dix jours au-dessus de 1 500 mètres, ce qui autorise une saison de ski de décembre à mars.
Le printemps s'installe vite et reste instable, avec des averses orageuses en mai. L'été dure de juin au début de septembre et compte plusieurs journées au-dessus de 35 degrés dans les plaines. L'automne, souvent lumineux et sec jusqu'en novembre, passe pour la plus agréable des saisons. L'hiver alterne épisodes humides et coups de froid continental, avec un enneigement irrégulier en plaine.
La košava souffle du sud-est, depuis les Carpates, et suit le Danube à travers les Portes de Fer avant d'atteindre Belgrade et le sud de la Voïvodine. Ce vent sec et rafaleux se manifeste surtout de l'automne au début du printemps, par épisodes de deux ou trois jours. Il chasse la brume, abaisse la température ressentie et atteint parfois des pointes supérieures à cent kilomètres par heure.