Forma alungită a orașului, cât și izolarea lui de către munții înalți, are o mare influență asupra aspectelor climatice, deoarece circulația maselor de aer se face de la nord la sud, prin spărtăturile transversale Bănița-Merișor și Surduc-Lainici. Munții stopează deplasarea maselor de aer, astfel că adăpostul oferit de ei împiedică primenirea aerului din depresiune. Datorită acestui lucru și a industrializării, străziile, copacii și iarba din oraș au căpătat un aspect specific marilor regiuni carbonifere. Peisajul orașului poate fi comparat cu cel din bazinul Ruhr, atunci când ceața acoperă orașul și stagnează sub protecția culmilor din jur.

În Petroșani mai are loc un fenomen termic interesant, cel de invesiune termică. Acest proces poate fi descris ca niște stagnări și răciri ale aerului alunecat de pe înălțimile munților spre oraș. Sub influența acerstor stagnări și răciri , cele mai coborâte temperaturi depășesc minus 30 °C(-31,4 °C la 14. Ianuarie 1893), în timp ce la stația Parâng sitauată cu 900-1000m mai sus , cele mai coborâte temperaturi nu au depășit – 24 °C. Astfel gerurile sunt mai puternice în Petroșani decât pe înălțimile din jur, dar nu și mai lungi. Deși în Parâng se resimte o domolire a gerurilor, asta nu înseamna că durata acestora se reduce, căci ziele considerate geroase , cu temperaturi de sub -10 °C sunt mai numeroase pe munte decât la Petroșani, unde se produc răciri accentuate prin radiație. Tot datorită adunării aerului rece, putem să întâlnim în luna mai brume și zile cu înghețuri de primăvară.

Prin poziția sa geografică și altitudine, climatul Petroșaniului ar trebui să fie submontan, însă dacă ne luăm după temperatura lunii celei mai calde(Iulie cu media de 16,7 °C) și media temperatui anuale(6,8º) el se aproprie mai mult de cel montan de altitudine joasa. Mediile lunii Iulie sunt cu 3-4 °C mai mari, iar cele anuale cu 2-3 °C, decât zonele cu un climat submontan. Zilele călduroase cu media temperaturilor peste 10 °C este mai redus la Petroșani decât în alte regiuni considerate mai reci, iar numarul zilelor de vară cu temperatura de peste 25 °C este de 50 zile. Media precipitaților medii anuale este de 700-800 mm/an.

Zilele cu nebulozitate ridicată ajung la peste 200 pe an. Datorită faptului că activitatea industrială este intensă și atmosfera mai poluată, ploile au o frecventă mare. Particulele de praf și fum funcționează ca nuclee de condensare, astfel toamna cețurile și burnițele sunt deosebit de frecvente.

Petroșaniul are o floră de tip central-europeană cu elemente arcto-alpine, în părțile înalte ale munților și infiltrații mediteraniene în zonele mai joase și cu condiți ecologice speciale mai ales pe calcare.

Vegetația este diversă: pâlcurile de anini și zăvoaiele din lungul apelor, nu rareori învecinate cu cătinișuri zburlite și tufișuri de zmeură, până la făgetele de pe versanți și cu pădurile de rășinoase de deasupra lor. Cea mai mare pondere în vegetația Petroșaniului este ocupată de pădurile de foioase (gorun, cer și fag) și de pajiști. Pădurile de fag în amestec cu rășinoasele (brad, molid) le întalnim pe versanții munțiilor, tot aici gasindu-se și pajiști alpine.

Fauna este alcătuită din specii de pădure cum sunt cerbul, ursul, căprioara la care se mai adaugă viezurele, vulpea, lupul, râsul, ierunca, cocoșul de munte și altele.

Domeniul alpin este populat de elemente tipice precum capra neagră, vulturul sur, acvila,etc. Apele de munte au fost colonizate cu păstrăvul indigen care trăiește alături de alte specii precum lipanul și scobarul.