El clima de Collserola es de tipo mediterráneo, con inviernos suaves y veranos no excesivamente calurosos. La oscilación térmica durante el año es moderada, con una temperatura media anual de 14,4º C. Las temperaturas fluctúan entre los 7,1º C del mes de enero y los 22,8º C del mes de julio. Ocasionalmente nieva en el Tibidabo (516,2 m), el punto más alto de Collserola, pero rara vez lo hace en toda la extensión del Parque. En cuanto a las precipitaciones, Collserola recoge anualmente una media de 619 mm, destacando los 83,1 mm de otoño, los 60,4 mm de primavera y los 10,6 mm de verano.

La existencia de zonas húmedas en su parte oriental y de zonas más secas en su parte occidental, unido a la orografía del terreno y los distintos tipos de vegetación que coexisten en el Parque, favorece la existencia de diversos microclimas y especies animales.

Dentro de las 6.500 hectáreas de territorio forestal del Parque podemos encontrar mil variedades de plantas y más de cien especies de animales. La vegetación de Collserola, típicamente mediterránea, está formada por bosques de pinos, encinas y robles, zonas con arbustos y matorrales, y campos de cultivo. En el Parque se pueden observar fácilmente jabalíes, zorros, conejos, salamandras y muchas especies de aves.