O clima de Natal é o tropical úmido, com temperatura média em torno de 28 °C. Por estar localizada a menos de cem metros de altitude, o município recebe ventos constantes. Devido ao ar puro predominante no município, Natal recebeu o título de Cidade do Sol, pelo fato de estar localizada próxima à Linha do Equador e de, em alguns dias do ano, o tempo ensolorado chegar a até quinze horas diárias. Apesar dos constantes ventos que a cidade costuma receber, há um intenso calor provocado pela ação do Sol. Devido à qualidade do ar de Natal, um estudo feita pela NASA concluiu que o ar natalense é o mais puro de todo o continente americano.
A menor temperatura já registrada no município ocorreu em 3 de junho de 1973, quando foram registrados 14,6°C. Enquanto isso, a temperatura máxima já registrada foi de 34,6°C, em 8 de janeiro de 1989. Enquanto na estação do verão as médias de temperatura em Natal chegam a 28°C, no inverno essa média é de 24°C. O mês que registra as maiores médias de temperatura é fevereiro, quando a média é 28°C, sendo 24°C a média de temperatura mínima e 31°C a média de temperatura máxima. Já o mês de julho apresenta as menores médias de temperaturas, sendo, portanto, o mais frio do ano. Nesse mês, a média é de 24°C, sendo 28°C e 21°C as temperaturas máxima e mínima, respectivamente. Durante esse período frio o município costuma receber as madrugadas mais frias do ano, como ocorreu em 28 de julho de 2011, quando foi registrada a menor temperatura do ano (20,3°C). Em relação à precipitação, a média de quantidade de chuva registrada é de 1 263 mm, sendo o mês de abril registra a maior pluviosidade (206 mm), enquanto outubro e novembro registram a menor (18 mm). A umidade relativa do ar é de 76% e o tempo de sol chega a 2 700 horas por ano.
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