Мельбурн — один из тех городов мира, что имеют уникальный климат, поэтому его научная классификация как умеренный морской (Cfb) довольно условна. Гораздо точнее его характеризует распространившаяся в местной поп-культуре фраза: «Четыре сезона в один день». А все потому, что для Мельбурна характерны сильные дожди, возникающие неожиданно и длящиеся всего несколько минут, и так по многу раз в день. Конечно, не каждый день. Наиболее влажные месяцы, как правило, октябрь, ноябрь и декабрь. Наиболее сухие — февраль и март. При этом любопытно, что 3 февраля 2005 года был зафиксирован самый высокий в истории города показатель выпадения осадков за сутки — 113,4 мм, а в 1972 году этот месяц отметился как самый влажный, получив 238,2 мм осадков.

Не только неожиданные дожди, но и в принципе резкие перемены климата характерны для столицы штата Виктория. Это связано с ее положением между водами залива Порт-Филлип и горной системой Данденонг. При этом зима здесь в целом стабильная — мягкая, но влажная и облачная. Кстати, Мельбурн — самая пасмурная столица среди штатов Австралии. На июнь и июль в среднем приходится 123 и 136 солнечных часов соответственно. Вообще же за год их накапливается 2 384. Больше всего солнце светит в декабре и январе — 263,5 ч и 273 ч. Лето в Мельбурне теплое и временами жаркое. 7 февраля 2009 года была зафиксирована рекордно высокая температура — 46,4 °C. Рекордно низкая была отмечена 21 июля 1869 года — -2,8 °C. Снег в центре города почти никогда не выпадает, но периодически бывает на востоке в районе гор.