Uważa się, że latem Dolina Śmierci jest najgorętszym miejscem na Ziemi.

Występuje tam klimat subtropikalny, gorący klimat pustynny z długimi, bardzo gorącymi latami, krótkimi, ciepłymi zimami i niewielkimi opadami.

Najwyższa temperatura powietrza, jaką kiedykolwiek zarejestrowano w Dolinie Śmierci wynosiła 56,7 °C i miała miejsce 10 lipca 1913 roku na ranczu Greenland (obecnie Furnace Creek), co od 2022 roku jest najwyższą temperaturą atmosferyczną zarejestrowaną na powierzchni Ziemi (choć niektórzy współcześni meteorolodzy kwestionują dokładność pomiaru z 1913 roku). 

Najwyższa temperatura powierzchni jaką kiedykolwiek zarejestrowano w Dolinie Śmierci wynosiła 93,9 °C i miała miejsce 15 lipca 1972 roku w Furnace Creek. Jest to najwyższa temperatura powierzchni gruntu kiedykolwiek zarejestrowana na Ziemi.

Najniższa temperatura zarejestrowana 2 stycznia 1913 roku na ranczu Furnace Creek w Dolinie Śmierci wynosiła  -9°C.