Необычное географическое положение Сан-Франциско — на окраине полуострова Сан-Франциско у пролива Золотые Ворота — существенно влияет на его климат, который определяется по Кёппену как средиземноморский с теплым летом (Csb). Среди крупных городов США Сан-Франциско показывает самую низкую среднесуточную, а также максимальную и минимальную температуру в летние месяцы.

Так, среднесуточная температура с июня по август равняется 15,3–16,4 °C, средний максимум — 28,4–30 °C, а средний минимум — 10,1–11,4 °C. При этом самым теплым месяцем в Сан-Франциско является сентябрь — его среднесуточное значение 17,1 °C. За ним следуют август и октябрь с 16,4 °C. Сезонное колебание температуры не столь высоко: среднесуточное значение самых холодных месяцев, декабря и января, составляет 10,7–10,9 °C.

Такие климатические особенности во многом обусловлены холодными течениями Тихого океана с западной стороны города и залива Сан-Франциско с северной и восточной сторон. Для этого города характерен летний туман, особенно выраженный на западе. Он связан с горячим воздухом, поднимающимся во внутренних долинах Калифорнии, что привлекает прохладные ветры с области Гавайского антициклона.

Морское влияние, а также выраженный рельеф местности отражаются и на осадках, которые демонстрируют 20-процентную разницу в разных районах города. Так, на востоке выпадает заметно меньше осадков и накапливается заметно больше солнечных часов. Что касается снега, то он в Сан-Франциско редок: с 1852 года было зарегистрировано всего 10 измеримых скоплений. Дожди в основном идут с ноября по апрель. При этом объем дождей может сильно разниться от года к году.