Essen gehört zum atlantisch beeinflussten Klimabereich "Nordwestdeutschland" mit relativ ausgeglichenen Klimaverhältnissen und vorherrschenden Windrichtungen aus südwestlicher Richtung. Unterstützt durch die Höhenlage wird bei diesen häufig auftretenden Windrichtungen Frischluft aus dem landschaftlich geprägten Essener Süden in die dichter bebaute nördliche Stadthälfte transportiert.
Bei austauscharmen Wetterlagen ist insbesondere nachts der Luftaustausch in den dichter bebauten östlichen und westlichen Wohngebieten der nördlichen Stadthälfte sowie in der Emscherniederung und dem Ruhrtal stark eingeschränkt. Problematisch ist es, wenn hier Luftverunreinigungen durch bodennahe Emissionen, verursacht durch Kraftfahrzeugverkehr, Heizen der Wohnungen, Industrie und Gewerbe, hinzukommen und sich ansammeln.
Für die Stadtplanung sind Kenntnisse über die Emissionen und differenzierten Belüftungsverhältnisse von Bedeutung. Während austauscharmer Strahlungswetterlagen bilden sich im Stadtgebiet eigene Belüftungssysteme aus. Wichtige Luftleitbahnen mit hoher Belüftungsintensität sind die durch das Stadtgebiet verlaufenden breiten Bahntrassen. Weitere Luftleitbahnen sind Täler, über die reliefbedingt Kaltluft aus den Freiflächen abfließt und innerstädtische Grünzüge.
Bioklimatisch belastend ist im Sommer die Überwärmung am Tage und die geringe nächtliche Abkühlung in der Innenstadt und den dicht bebauten Stadtteilen, die sich von Altendorf bis zum Südostviertel halbkreisförmig um die City ziehen. Der Wärmeinseleffekt der Innenstadt erzeugt andererseits thermische Turbulenzen und einen Aufstieg der erwärmten Luft, so dass dort relativ günstige Austauschverhältnisse vorherrschen.
Als bioklimatisch besonders günstig sind die aufgelockerten Bebauungen mit Stadtrandklima einzustufen, die im Übergangsbereich zu Freiräumen liegen, wie beispielsweise die Stadtteile Heidhausen, Schönebeck und Freisenbruch.
Die zusammenhängenden Frei- und Waldflächen des Essener Südens sind als Frisch- und Kaltluftentstehungsgebiet regional bedeutend für den Klimaausgleich. Innerstädtische Grünzüge im Essener Norden wie der Grüngürtel entlang des Borbecker Mühlenbachs erzielen thermische Ausgleichswirkungen, die weit in die bebauten Gebiete hineinreichen. Kleine Parks und begrünte Innenhöfe sind "Klimaoasen" innerhalb der stadtklimatisch geprägten Bereiche.
