北德维纳河流域地处俄罗斯平原北部。冬季，受西方海洋气团的强烈影响，1月的平均气温自西向东降低，最低达到－20℃左右。温暖时节的7月，气温由南向北降低：从草原区的20-22℃到苔原区南面的10℃。

最大降水在7、8月。年降水量300毫米左右。北德维纳河的最大径流模数达0.001立方米/(s·平方千米）。

融雪是北德维纳河补给的主要来源。春季涨水开始于4月末，而且很快自上向下推进，经过10-15天，水位升高到平水位以上8-10米。