Климат Таллина переходный от умеренно-морского к умеренно-континентальному с умеренно холодной, изменчивой зимой и прохладным летом. Среднегодовая температура — 5,4 °C. Среднегодовое количество осадков — 696 мм.
Таллин расположен на берегу Финского залива Балтийского моря. Благодаря влиянию Гольфстрима зима теплее, чем в материковых районах Евразии. Лето сравнительно прохладное. Наиболее тёплый месяц года — июль, наиболее холодный — февраль. Преобладает пасмурная и облачная погода.
Средняя температура воздуха в Таллине, по данным многолетних наблюдений, составляет +5,4 °C. Самый холодный месяц в городе — февраль со средней температурой −5,0 °C, в январе −4,5 °C. Самый тёплый месяц — июль, его среднесуточная температура +16,5 °C. Сравнительно небольшая амплитуда среднесуточных температур февраля и июля (21,5 °C) характеризует умеренность таллинского климата. Самая высокая температура, отмеченная в Таллине за весь период наблюдений, +34,3 °C (30 июля 1994 года), а самая низкая −33,0 °C (11 января 2003 года).
Погода с устойчивой положительной температурой устанавливается, в среднем, в конце марта, а с устойчивой средней температурой ниже нуля — в конце ноября—начале декабря.