伏爾加河流域大部為大陸性氣候，流域上中游和下游右岸屬森林氣候；下游左岸屬草原氣候和半荒漠氣候；里海低地則屬荒漠氣候。
伏爾加河水源來自融雪（占年排水量的60%）、地下水（30%）和雨水（10%）。在其未有水庫調節之前，自然而未受控制的水文特點是春汛高。年平均流量，在特維爾為每秒180立方米（6,400立方英尺），在雅羅斯拉夫爾為每秒3.9萬立方英尺，在薩馬拉為每秒272,500立方呎，在河口為每秒284,500立方呎。在伏爾加格勒和里海之間，河水由于蒸發約損失2%。年流量的90%以上是在卡馬河口以上發生的。