Климат в районе заповедника умеренно теплый, с неустойчивым увлажнением. По наблюдениям метеостанции при управлении заповедника, за период с 1932 по 1961 год средняя годовая температура воздуха равна +5,1 градуса. В отдельные годы она может понижаться до +2,1 или повышаться до +7,1. Средняя температура января равна -9,4, июля - +19,5 градуса. Годовая сумма атмосферных осадков колеблется от 435 до 769, в среднем составляя 578 миллиметров.

Зима здесь, как правило, не сурова. Чаще всего (21 зима из 30) наибольшая толщина снежного покрова в лесу не превышает 60 сантиметров, а минимальная температура воздуха не опускается ниже -35 градусов. За упомянутый период зим со снежным покровом выше 70 сантиметров было только шесть, с морозами сильнее 35 градусов – десять. Особенно суровы были зимы 1931/32, 1939/40, 1940/41, 1941/42, 1944/45, 1950/51, 1951/52, 1955/56 и 1959/60 гг. Бывают и необычно теплые малоснежные зимы с сильными оттепелями. Во время продолжительных оттепелей возникают паводки на ручьях и вскрываются реки. Так было, например, в зимы 1935/36, 1954/55 гг. и в феврале 1957 года.

Однако, нередки здесь и засухи, когда в результате длительного отсутствия дождей при жаркой погоде вся природа испытывает недостаток влаги. Сильно понижается уровень воды в колодцах и водоёмах, пересыхают болота и ручьи, выгорает трава на лесных полянах, в кронах деревьев преждевременно появляются пряди пожелтевших листьев. Засуха может наступить в любое время года – весною, летом или осенью. Во время засухи иногда за весь месяц выпадает 1-2 миллиметра осадков вместо обычных 40-60. Максимальная температура воздуха поднимается до 39 градусов. Изо дня в день дует все иссушающий восточный или юго-восточный ветер-суховей.

Наряду с этим бывают периоды избыточного увлажнения, когда месячная сумма осадков в полтора-два раза превышает среднюю. В июле и августе с грозовыми дождями может выпасть 40-50 миллиметров за одни сутки. Столько в иное время не набирается и за целый месяц.

Изменения количества атмосферных осадков сильно и довольно быстро отражаются на уровне воды в речках и болотах. Грунтовые воды, поступающие из глубоких слоев, в водном режиме Усманского бора играют незначительную роль.

Лес растет здесь на мощных песчаных отложениях, достигающих в толщину нескольких метров и прослоенных суглинками. Легко просачивающаяся в глубь песка вода задерживается глиной и по водоупорному слою перемещается вниз, пока не выйдет наружу в виде родников. Ранней весною в лесу все понижения наполняются талой водой. Она стекает по руслам ручьев, лощинам и канавам в реки. В одних ручьях раньше, в других позже, но к началу лета русловый сток обычно прекращается. Наиболее долго вода сохраняется в тех участках русел, где выходят более мощные водоносные пласты. Весьма характерно, что ручьи раньше пересыхают обычно в среднем и нижнем течении, а в верхнем, где находятся основные родники, - позже. При сильной продолжительной засухе многие ручьи пересыхают полностью. Даже в такой сравнительно крупной речке, как Девиченка, в сильную засуху течение прерывается и вода остается только в наиболее глубоких ямах. На Ивнице регулярно пересыхает русло в среднем ее течении. В нижней части Ивницы и по всей Усмани в пределах заповедника течение прерывается очень редко, хотя уровень воды может понижаться значительно.