Kuzeyi dağlık ve güneyi ovalık olan Adayıman’da iki değişik iklim hüküm sürer. Dağlık kuzey kısımda kışlar yağışlı ve soğuk, yazlar sıcak ve kurak geçer (kara iklimi özellikleri). Güneyde ise kışlar ılık ve yağışlı, yazlar kurak ve sıcak geçer. Senelik yağış ortalaması 835 milimetredir.

Yüksek yerlerde kış çok şiddetli geçer. Ovalık bölgede ise sıcaklık kışın -3,9 dereceden aşağı düşmez. Akdeniz ikliminin değişik deniz iklimi ile kara iklimi hüküm süren tek ilimizdir.

Adıyaman, Güneydoğu Anadolu’nun en yeşil ilidir. Ormanlık arazi % 17’dir. Kuzeydeki dağların yamaçlarında meşe bozuğu korusu ve meşe baltalığı, yükseklerde de çam vardır. Güneydoğu Anadolu’nun bitki örtüsü bakımından en zengin ilidir.