日本海属温带海洋性季风气候，每年12月至次年3月盛行东北季风，有干冷空气流入日本海，形成降温和降雪天气。最冷月(1月)平均气温北部为－19℃，南部为5℃，表层水温为－2～13℃。北部特别是西伯利亚近岸海域形成大量海冰，结冰期通常自11月中旬到次年2月中旬。6月以后盛行偏南季风，暖湿气流使气温升高，形成充沛降水和雾(尤其北部)。8月平均气温北部为16℃，南部达24℃。表层水温18～27℃。
日本海海流由沿东岸北流的对马暖流和沿西岸南流的利曼寒流组成，形成反时针型的环流系统。海流增大了海区表层水温的南、北间和东、西间的差异。
日本海海区因被陆地和岛屿包围，海潮潮差较小，沿日本岸只有0.2米，西伯利亚近岸为0.4～0.6米，靠近东海的朝鲜海峡(大韩海峡)处的海潮潮差可达2米。
表层水温最暖月（8月）18～27℃，最冷月（1月）-2～13℃,自北向南递增。海域东部有对马暖流以926～1852米/小时的流速沿东岸北上，并从津轻海峡流入太平洋，从拉彼鲁兹海峡流入鄂霍次克海。西部有利曼寒流以370米/小时的流速沿西岸南下。东部水温高于西部，如2月，本州附近海岸水温5～10℃，而大陆一侧为0℃。海水盐度东部高于西部，如本州沿海为34.7‰，大陆沿海32.8～34.1‰。海域年降水量北部600毫米，南部1200～1500毫米。潮汐作用较小，潮差一般为0.2～0.4米。
自1993年开始，联合科研小组就对日本海不同水位的洋流、盐分、氧含量等指标进行监测，监测结果证实了他们最担心的事。科研人员指出，日本海最深处为3000米左右。表层的氧气需要这些洋流的传输到达深层海域，深层海水中的微生物靠这些氧气把从表层沉落下来的有机物分解成氮和磷等无机物。这些无机物再随深层海水上升到海表层，成为藻类的营养来源。但现状是：日本海的深海洋流正变得越来越弱，导致海洋表层物质与深层物质的循环越来越难以得到保证，这导致日本海藻类浮游生物因没有足够的养分而迅速减少。以浮游生物为食物的鱼类也随之减少。如果这种现象得不到改变，300年后，日本海可能将无鱼可捕。