Река Мерич, един от основните водни пътища на България, тече през южния край на Пазарджик.

В околностите на Пазарджик два от левите ѝ притоци се вливат в река Мерич, която извира в Средна гора и отводнява значителна част от Пазарджишката равнина; река Тополница тече на 2 км западно от града, а река Луда Яна на 8 км източно.

По време на турското владичество река Тополница е имала притоци през града. Впоследствие е създаден напоителният канал Паша-Арк, който и до днес преминава през града.

Реките в региона имат режим на дъждовно-снягово захранване, което означава, че основните водоизточници са дъждовната вода, докато разтопеният сняг е от второстепенно значение, което води до пълноценно снабдяване с водни ресурси по време на периоди на обилни валежи и обилно снеготопене. Това са предимно месеците май - юни (падат големи количества валежи, а снегът се топи в най-високите части на Рила планина, откъдето извира река Мерич) и ноември - декември (отново падат големи количества валежи).

Заливните речни тераси в региона са богати на подпочвени води.

Климатът на града е преходен между умерено континентален и средиземноморски климат. Характеризира се с горещо, почти сухо лято и влажна, умерено студена зима. Средната годишна температура на въздуха е 12,5 °C. Най-горещите месеци са юли и август, когато средната месечна температура е 23-24 °C, докато най-студените месеци са януари и февруари, когато средната месечна температура е 1-2 °C. Броят на дните с температури над 32 °C е приблизително 35 годишно.

Абсолютната минимална температура, измерена в Пазарджик, е –29,5 °C.

Годишните валежи са приблизително 500 мм, което прави Пазарджик сред най-сухите градове в България. Има две максимални и две минимални стойности за валежите: съответно май - юни; ноември - декември и февруари - март; и август - септември. В периодите с най-големи валежи се наблюдават проливни валежи, понякога над 120 мм, съпроводени с неблагоприятни климатични явления като градушка, мъгла, слана и др. В месеците с най-ниски валежи те падат под 30 мм, което причинява продължителни жеги и устойчиви засушавания.

Поради разположението на Пазарджик в равнина и заобиколен от планински вериги, ветровете в региона са слаби. Средната годишна скорост на вятъра е около 1 м/с. Характерен е топлият, суров вятър Фьон, който духа от северните склонове на планините и повишава температурите през зимата.

Неблагоприятни климатични явления: През по-студената половина на годината това се нарича температурна инверсия и се случва, когато в страната нахлуе студен арктически въздух, а температурите в равнините и долините могат да паднат до -20°C. Мъглата е типична през декември. Летните бури със силни ветрове, градушка и гръмотевични бури са негативно явление. Друго негативно климатично събитие, засягащо Пазарджик през по-топлата половина на годината, е сушата, съпроводена с горещ тропически въздух, който може да повиши температурите над 40°C. В преходните сезони ранните есенни и късните пролетни слани могат да бъдат опасни.

Земите около Пазарджик са канелени гори. Геоложките им характеристики са географски-зонални. Те са най-разпространеният почвен тип в България и покриват 22,5% от земната покривка на страната. Имат високо съдържание на глина, което показва плътен механичен състав. Подходящи са за отглеждане на лозя, ябълкови дървета, череши и др. Алувиалните ливадни почви са често срещани по поречието на реките в региона, особено по заливните тераси на река Мерич и нейните притоци. Те са азонални по вид и форма в условия на висока влажност. Домати, чушки, краставици, лук и др. растат успешно в тези почви.

Растителността в и около града се състои предимно от широколистни видове като дъб, липа, топола, кестен, чинар и др., и по-рядко от иглолистни видове като бор и ела. Около реките растат върба, бреза, бръшлян и др.

Животинското царство около Пазарджик включва представители на източноевропейската фауна: лисици, чакали, зайци, катерици, мишки, врабчета, кълвачи, яребици и др.