伏尔加河流域大部为大陆性气候，流域上中游和下游右岸属森林气候；下游左岸属草原气候和半荒漠气候；里海低地则属荒漠气候。
伏尔加河水源来自融雪（占年排水量的60%）、地下水（30%）和雨水（10%）。在其未有水库调节之前，自然而未受控制的水文特点是春汛高。年平均流量，在特维尔为每秒180立方米（6,400立方英尺），在雅罗斯拉夫尔为每秒3.9万立方英尺，在萨马拉为每秒272,500立方呎，在河口为每秒284,500立方呎。在伏尔加格勒和里海之间，河水由于蒸发约损失2%。年流量的90%以上是在卡马河口以上发生的。