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, dans la plaine au nord de la chaîne des Balkans, à 220 mètres d'altitude. La ville est sensible aux vagues de froid polaire (par exemple, en février 2012, la température est tombée à -22 °C), 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. En été, elle peut atteindre 40 °C lors des vagues de chaleur.
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.

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 les mois de mai et septembre. En juin, le temps est souvent agréable, mais parfois il peut faire très chaud, surtout dans la seconde moitié du mois.