Xã Xuân Hải nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa. Trong năm được chia làm hai mùa rõ rệt gồm mùa nắng và mùa mưa. Mùa nắng từ tháng 4 đến đầu tháng 10, chịu ảnh hưởng của gió Tây và gió Tây Nam, có tháng Tư khô nhất; vào các tháng 5 và 6 bắt đầu có mưa. Tháng 7 và 8 có gió Nam (còn gọi gió Lào, gió Phơn) rất nóng, khô. Mùa mưa kéo dài bắt đầu từ giữa tháng 10 đến trung tuần tháng 4, chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, các tháng 10, 11 mưa nhiều, chiếm 76% lượng mưa cả năm. Mặc dù mùa nắng kéo dài nhưng do ảnh hưởng của đại dương nên độ ẩm về mùa nắng ở Xuân Hải vẫn cao hơn các vùng khác trong tỉnh, khí hậu vẫn mát mẻ trong mùa nắng. Đây là đặc trưng của vùng khí hậu ven biển và đầm vịnh, là điều kiện tốt cho các loại cây trồng cạn dài ngày và cây ngắn ngày phát triển, cùng với phát triển các dịch vụ du lịch và khu nghỉ dưỡng.

Lượng mưa trung bình trong năm biến đổi trong khoảng 1.600 - 1.700mm. Độ ẩm tương đối trung bình năm 80%. Số giờ nắng trung bình đạt 8giờ/ngày. Nhiệt độ trung bình năm 26,7⁰C. Lượng bốc hơi bình quân cả năm là 1.326mm, tạo độ ẩm không khí cao, mát mẻ.