El clima de la ciudad se caracteriza por una gran variabilidad en cuanto al régimen de temperaturas y humedad, consecuencia de los ritmos climáticos característicos de las ecorregiones que la rodean. Hay siete meses de clima confortable, desde mediados de otoño, hasta mediados de la primavera, en que comienzan los días cálidos con temperaturas superiores a 35 °C, a partir de entonces se alternan las lluvias, que se prolongan desde noviembre hasta marzo.
El invierno se extiende desde el 21 de junio hasta el 21 se septiembre y normalmente se caracteriza por la ausencia casi total de precipitaciones. Las temperaturas durante ésta época son muy variables, habiendo registros de años en los que se puede decir que no ha habido inviernos, con otros de intensos fríos, heladas y registros bajo cero durante varias semanas o meses. También es frecuente la alternacia entre días de intenso frío y otros de calor moderado. Las mínimas extremas alcanzan valores de -10 °C. La media normal es de -3 °C.
La primavera, desde el 21 se septiembre hasta el 21 de diciembre, es la estación más seca del año, con ausencia prácticamente total de lluvias. En cuanto a las temperaturas se pueden distinguir tres etapas: la primavera fresca, que abarca el mes de septiembre, la primavera propiamente dicha, durante el mes de octubre y la primavera cálida, en el mes de noviembre. A partir de éste mes se produce un rápido aumento de las temperaturas, siendo que a fines de noviembre y en diciembre se alcanzan los valores más altos del año. Durante esta estación son frecuentes los vientos del SE y del NE, que transportan gran cantidad de polvo.
El verano es en Santiago del Estero la estación lluviosa por excelencia. En el curso de cada semana puede considerarse que tres días son cálidos, produciéndose el fenómeno de la "depresión térmica", que origina al irrupción de aire frío, con lluvias. No es una época excesivamente calurosa, puesto que los mayores valores térmicos se alcanzan durante la primavera.
El otoño es en la ciudad la época más agradable, normalmente el cielo se halla nublado, con largos periodos de lloviznas y sin vientos.
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