Najchłodniejszym miesiącem jest styczeń – średnia temperatura w tym okresie wynosi ok. –11 °C (na wschodzie regionu jest jeszcze chłodnie, ok. –12 °C, a na zachodzie – nieco cieplej, średnio –10 °C. Najcieplejszym miesiącem w regionie jest lipiec; średnia temperatura powietrza w tym okresie wynosi od ok. +18 °C na zachodzie do +19 °C na wschodzie obwodu.
Opady Średnioroczna wielkość opadów w regionie wynosi 450-500 mm; większość opadów przypada na ciepłą połowę roku, a maksimum na lipiec. Powyższa liczba nie oddaje jednak prawdziwej ilości padających w regionie deszczów: w rzeczywistości rzadko zdarza się, by w ciągu roku spadła taka właśnie ilość, zazwyczaj jest to sporo więcej (ponad 700 mm) – gdy lato jest wilgotne, lub sporo mniej (ok. 350 mm) – gdy występuje susza. Susze są zresztą często spotykane w regionie, jednak zwykle trwają one jedynie przez część roku.
Roślinność Obwód penzeński leży na terenach 3 stref roślinnych: lasów, lasostepów i stepów. Pierwotna roślinność zajmuje ok. 1/3 terytorium regionu. Lasy liściaste i mieszane zajmują ok. 20% powierzchni obwodu;