จากการแบ่งเขตภูมิอากาศแบบเคิพเพิน เซนต์ปีเตอร์สเบิร์กมีภูมิอากาศแบบชื้นภาคพื้นทวีปหรือ Dfb อิทธิพลของพายุหมุนจากทะเลบอลติก ส่งผลให้นครมีฤดูร้อนที่อบอุ่น ชื้น และสั้น และมีฤดูหนาวที่ยาวนาน ภูมิอากาศของเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กคล้ายคลึงกับของเฮลซิงกิ แม้ว่าฤดูหนาวจะหนาวกว่าและฤดูร้อนจะอุ่นกว่าอันเนื่องจากที่ตั้งของนครที่อยู่ทางตะวันออกกว่า

อุณหภูมิสูงสุดโดยเฉลี่ยในเดือนกรกฎาคมอยู่ที่ 23 °C (73 °F) และอุณหภูมิต่ำสุดโดยเฉลี่ยในเดือนกุมภาพันธ์อยู่ที่ -8.5 °C (16.7 °F) อุณหภูมิสูงสุดคือ 37.1 °C (98.8 °F) เกิดขึ้นในช่วงที่มีคลื่นความร้อนในซีกโลกเหนือปี 2010 ส่วนอุณหภูมิต่ำสุดคือ -35.9 °C (−32.6 °F) บันทึกได้ใน ค.ศ. 1883 อุณหภูมิโดยเฉลี่ยต่อปีคือ 5.8 °C (42.4 °F) แม่น้ำเนวาที่ไหลผ่านนครเริ่มแข็งตัวในเดือนพฤศจิกายนถึงธันวาคม และละลายในเดือนเมษายน ระหว่างเดือนธันวาคมถึงมีนาคม มีวันที่มีหิมะตก 118 วัน โดยในเดือนกุมภาพันธ์ หิมะอาจสูงถึง 19 เซนติเมตรโดยเฉลี่ย[15] ช่วงที่ปราศจากน้ำค้างแข็งโดยเฉลี่ยมีเพียง 135 วัน แม้ว่าที่ตั้งของนครจะอยู่ทางภาคเหนือ แต่ในฤดูหนาว นครกลับหนาวน้อยกว่ามอสโก เนื่องจากที่ตั้งริมอ่าวฟินแลนด์และอิทธิพลกัลฟ์สตรีมจากลมสแกนดิเนเวียที่ทำให้อุณหภูมิสูงกว่าจุดเยือกแข็งเล็กน้อย นครยังมีสภาพอากาศที่อบอุ่นกว่าชานเมือง สภาพอากาศในแต่ละช่วงของปีค่อนข้างแตกต่างกัน[16][17]

ปริมาณหยาดน้ำฟ้าโดยเฉลี่ยต่อปีอยู่ที่ 660 มิลลิเมตร และจะขึ้นสูงสุดในปลายฤดูร้อน ความชื้นในดินมากจะสูงเนื่องจากการระเหยของน้ำในระดับความสูงต่ำที่เกิดจากอากาศเย็น ความชื้นสัมพัทธ์อยู่ที่ร้อยละ 78 โดยเฉลี่ย และวันที่ไม่พบแสงแดดมีอยู่ 165 วันโดยเฉลี่ยต่อปี