El clima en Membrilla se caracteriza por ser mediterráneo continentalizado, con marcadas diferencias entre estaciones. Los inviernos son fríos y relativamente lluviosos, especialmente en la estación más lluviosa, el invierno, cuando las precipitaciones aumentan y las temperaturas descienden notablemente. Por otro lado, los veranos son secos y calurosos, con agosto como el mes más seco, y las temperaturas alcanzan sus valores más elevados en julio. La influencia de la ubicación interior en Castilla-La Mancha favorece que las temperaturas extremas sean frecuentes, acentuando el contraste entre el frío invierno y el calor del verano.
La meteorología de Membrilla refleja un patrón en el que las estaciones más agradables para actividades al aire libre suelen ser la primavera y el otoño, cuando las temperaturas son moderadas y las precipitaciones aún son moderadas. La estación más lluviosa, el invierno, aporta cierta humedad que favorece la vegetación, aunque la sequedad del verano limita la presencia de precipitaciones. En conjunto, el clima en Membrilla presenta un marcado carácter continental, con un ciclo anual bien definido y una distribución de lluvias que refuerza la estacionalidad del tiempo en Membrilla.
Normales climáticas WorldClim 2.1 para el periodo 1970–2025.