Das südliche Drittel der Ostsee befindet sich in der gemäßigten Klimazone, die bei Dänemark noch ausgesprochen maritime Züge trägt, nach Osten hin jedoch im Bereich des Kontinentalklimas liegt. Der nördliche Teil, insbesondere der Bottnische Meerbusen, ist geprägt durch das kalte Klima der borealen Nadelwälder. Ihr nördlichster Punkt liegt unweit des Polarkreises.
Die Ostsee kann selbst kaum zu einem klimatischen Ausgleich beitragen. Sie ist einerseits vom wärmenden Golfstrom abgekoppelt. Andererseits ist ihr Salzgehalt gering. Daher vereist sie jeden Winter und verursacht dann sogar eine Verstärkung des kontinentalen Klimas. Durchschnittlich kann es bis zu 5 vereiste Monate im Jahr geben, insbesondere im Bottnischen Meerbusen. Sogar an der deutschen Ostseeküste können Eisschichten in kalten Wintern eindrucksvolle Mächtigkeiten erreichen. Nur einige Inseln, wie Bornholm, genießen ein ungewöhnlich mildes Klima und mäßiges Wetter.