เม็กซิโกซิตีมีอากาศที่สูงกึ่งเขตร้อน เนื่องจากทำเลที่ตั้งมีอากาศร้อนและมีอุณหภูมิสูง โดยทางตอนใต้ของหุบเขาได้รับปริมาณน้ำฝนน้อยกว่าทางตอนบนของภาคใต้

อุณหภูมิเฉลี่ยประจำปีของเม็กซิโกซิตีมีความแตกต่างกันถึง 12-16 องศาเซลเซียส (54-61 องศาฟาเรนไฮต์) อุณหภูมิต่ำที่สุดของเมืองอยู่ในช่วงเดือนมกราคมถึงเดือนกุมภาพันธ์ ซึ่งอาจลดต่ำลงถึง -2 ถึง -5 องศาเซลเซียส (28-30 องศาฟาเรนไฮต์) ส่วนช่วงอุณหภูมิสูงสุดจะอยู่ในช่วงปลายฤดูใบไม้ผลิและฤดูร้อน ซึ่งอุณหภูมิอาจสูงถึง 32 องศาเซลเซียส (90 องศาฟาเรนไฮต์)

พื้นที่ของเมือง ได้รับฝนเฉลี่ย 700 มิลลิเมตรต่อปี ซึ่งฝนจะตกหนักในช่วงเดือนมิถุนายนถึงเดือนกันยายน แต่เดือนตุลาคมถึงสิ้นปี ฝนจะตกน้อยหรือไม่ตกเลย ซึ่งเมืองนี้มีเพียง 2 ฤดูกาล คือ

• ฤดูฝน เริ่มตั้งแต่เดือนมิถุนายนถึงเดือนตุลาคม เมื่อลมร้อนนำความชื้นจากทะเลเข้าฝั่ง
• ฤดูแล้ง เริ่มตั้งแต่เดือนพฤศจิกายนถึงเดือนพฤษภาคม

อุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปีของกรุงเม็กซิโกซิตี ในปี พ.ศ. 2552