Le climat de Veliko Tarnovo est continental, avec des hivers froids et des étés chauds.
La ville est située dans le centre-nord de la Bulgarie, au bord de la plaine au nord de la chaîne des Balkans, et à 220 mètres d'altitude.
La ville est sensible aux vagues de froid polaire, mais elle est également sensible aux vents de type foehn qui descendent des montagnes (le mont Botev est au sud-ouest) et cela peut prooduire des augmentations soudaines de température. Pour cette raison, la température peut dépasser 20 °C de décembre à février, et 25 °C en novembre et mars.
L'hiver est froid et gris, avec des chutes de neige et des gelées, bien qu'il y ait aussi des périodes assez douces, surtout quand le ven de foehn souffle. Dans les périodes où l'atmosphère est stable, il peut y avoir des jours froids et brumeux.
Lors des vagues de froid, qui se produisent chaque année ou presque, la température descend à -15 °C ou au-dessous. Le record de froid de la période 1961-2000 a été de -28 °C, tandis que de 2001 à 2020 il a été de -22 °C, enregistré en février 2012.
L'été est chaud et ensoleillé, bien que des orages puissent parfois éclater pendant l'après midi.
La ville est particulièrement exposée aux canicules. Dans les périodes les plus chaudes, la température peut atteindre ou dépasser 37 °C. Le record de chaleur est de 43,5 °C, enregistré en juillet 2000. La température a également atteint 43 °C en juillet 2007 et en août 2012.
La température moyenne du mois le plus froid (janvier) est de 0,8 °C, celle du mois le plus chaud (août) est de 24,4 °C. Voici les températures moyennes (de la période 2003-2012.

Les précipitations totalisent 615 mm par an : elles sont donc à un niveau intermédiaire. Dans les mois les moins pluvieux (février, mars, août, septembre, octobre) il tombe 40 mm de pluie, dans le plus pluvieux (juin) il tombe 75 mm. Voici les précipitations moyennes.

Il y a en moyenne environ 2 375 heures de soleil par année. Voici la moyenne des heures d'ensoleillement par jour.

Quand partir

Les meilleurs moments pour visiter Veliko Tarnovo sont le printemps et l'automne, soit de mi-mai à mi-juin, quand il faut être prêts à quelques orages de l'après-midi, et de mi-septembre à mi-octobre, une période un peu plus fraîche mais aussi plus sèche. En été, la chaleur est parfois supportable, tandis que d'autres fois, surtout en juillet et août, elle peut être intense.