Le bassin des Grands Lacs est influencé par trois facteurs météorologiques principaux : les masses d'air provenant d'autres régions, la situation à l'intérieur du continent et l'influence modératrice de la masse d'eau qu'ils représentent. La circulation des systèmes métérologiques est en général est-ouest mais les vents en surface varient selon la position de ces systèmes et font alterner des apports de chaleurs et d'humidité venant du golfe du Mexique et de l'air sec et froid de l'Arctique ce qui donne une grande variabilité quotidienne et mensuelle.
En été, les dépressions ont tendance à passer au nord de la région ce qui permet à l'air chaud et humide du golfe du Mexique de dominer. Cette situation est propice à la formation de smog et les vents généralement du sud-ouest peuvent également en apporter du bassin industriel du Midwest. Le passage de fronts froids qui amènent de l'air plus froid en altitude rend la masse d'air instable et déclenche des orages parfois violents. L'ensoleillement réchauffe également la couche d'eau superficielle des lacs et une thermocline se forme entre la surface et les couches inférieures. Les eaux moins profondes du lac Érié sont particulièrement affectées par ce phénomène.
En hiver, la région est caractérisée par le passage de plus en plus au sud des dépressions provenant de l'ouest ou du sud-ouest. Ceci donne des tempêtes de neige qui peuvent se changer en pluie verglaçante ou même en pluie sur les secteurs sud. Dans les anticyclones qui dominent les mois les plus froids, l'air arctique passant au-dessus des lacs non gelés va donner des bourrasques de neige dans les zones côtières sous le vent dominant appelées « Snow Belt » par les anglophones. Les averses associées à ces bourrasques peuvent laisser de très grandes quantités de neige le long d'une bande étroite de la côte comme dans le cas de la tempête de neige Aphid du 12-13 octobre 2006.
La libération de la chaleur emmagasinée par les lacs tempère cependant le climat près du rivage et des parties du sud de l'Ontario, du Michigan et de l'ouest de l'État de New-York ont des hivers plus cléments que des régions continentales situées plus loin des rives. Malgré tout la température de surface des lacs diminue graduellement et un couvert de glace se forme généralement sur le lac Érié au cours de l'hiver, situation amplifiée dû à sa plus faible profondeur. Les autres lacs gardent le plus souvent certaines zones sans glace. Les bourrasques diminuent donc d'intensité plus tard en saison à mesure que la glace recouvrent les lacs.
Le printemps et l'automne sont caractérisés par un temps variable lorsque les dépressions passent rapidement sur la région. Le ciel est plutôt nuageux, les orages occasionnels et les vents violents fréquents. La tempête de 1913 sur les Grands Lacs est un tel exemple de très forte tempête automnale.
Au début du printemps, l'air plus chaud et l'ensoleillement qui augmente commencent à faire fondre la neige et la glace lacustre. Comme l'eau prend plus de temps à se réchauffer que l'air, la température des lacs augmente plus lentement que les terres. Les brises des lacs rafraîchissent donc le climat durant cette période. L'effet inverse se produit à l'automme. Ce phénomène retarde le bourgeonnement des feuilles et la floraison des plantes au printemps mais protège du gel les arbres fruitiers à l'automne. Ceci permet une zone végétative près des rives ouest des lacs de même que plus au sud, favorisant en particulier l'exploitation de vignobles.