Los Angeles leży w strefie klimatu subtropikalnego typu śródziemnomorskiego (klasyfikacja Köppena – Csb na wybrzeżu, Csa na terenie śródlądowym), na pograniczu klimatu półpustynnego (Bsk). Zdecydowana większość dni w roku w Los Angeles jest słoneczna, ze średnią zaledwie 35 dni z wymiernymi opadami na rok.
Średnia roczna temperatura w centrum Los Angeles wynosi 24 °C w ciągu dnia i 14 °C nocą. W najchłodniejszym miesiącu, czyli styczniu, temperatura waha się zazwyczaj w granicach od 15 do 23 °C w ciągu dnia i od 7 do 13 °C w nocy. Z kolei w najcieplejszym miesiącu, sierpniu, temperatura waha się zazwyczaj w granicach od 26 do 32 °C w ciągu dnia i około 18 °C nocą. W czasie kilkunastu dni w roku temperatura w Los Angeles przekracza 32 °C (90 °F); zazwyczaj jest to średnio jeden dzień kwietnia, maja, czerwca i listopada, trzy dni lipca, sierpnia i października, a także średnio pięć dni września. Temperatury ulegają silnym wahaniom w ciągu dnia; na obszarach w głębi lądu średnie różnice w dziennej temperaturze wynoszą powyżej 17 °C. Średnia roczna temperatura oceanu na wybrzeżach Kalifornii wynosi 17 °C i waha się od 14 °C w styczniu do 20 °C w sierpniu. Najwyższą temperaturę w Los Angeles odnotowano 27 września 2010 roku i wyniosła ona wówczas 45 °C, zaś najniższą 22 grudnia 1944 roku, kiedy to sięgnęła –4 °C. W ciągu roku w Los Angeles notuje się ponad 3,2 tysiąca godzin słonecznych, ze średnią 7 godzin słonecznych na dzień w grudniu oraz 12 godzin słonecznych na dzień w lipcu.