Для осени характерны довольно большие колебания температуры. В сентябре — начале октября часты возвраты тепла (+20..+25 °C днём) — так называемое «бабье лето». Например, за последние годы наибольшим теплом отметился октябрь 2005, 2007, 2008, 2011 годов — тогда в начале октября столбики термотметров преодолевали значение +20 °C, а в 2011 был даже установлен рекорд тепла: 8 октября максимальный термометр на метеостанции ВВЦ достиг значения +21,0 °C. В 2013 году «бабье лето» сильно запоздало и пришло в московский регион только в конце октября, 29-го числа был перекрыт соответствующий суточный максимум — дневная температура поднялась до +15,1 °C. Максимум осени 2013 года (+19.3 градусов 2 сентября) оказался самым низким за последние 23 года, после осени 1990 года, и первым в 21 веке, а также за последний 21 год, после осени 1993 года, максимумом осени ниже +20 градусов.
 Несмотря на возвраты тепла, наблюдается общее сезонное понижение температуры (сокращается световой день, высота солнца всё ниже над горизонтом). Дожди (осадки) становятся более продолжительными, но менее интенсивными, чем в летние месяцы. В последние годы ливневые осадки наблюдаются всё чаще и осенью, а также в начале календарной зимы. Особенно дождливым выдался сентябрь 2013 года, когда был установлен абсолютный месячный и годовой рекорд по количеству выпавших осадков - 187 мм (почти три месячные нормы), в отдельные дни за сутки выпадало 32 мм дождя. Также влажными были сентябри 1885 года (171 мм), 1996 года (131 мм) и 2003 года (101 мм. Сентябрь 2005 года в Москве стал самым сухим с месячным количеством осадков 12 мм. Самая сухая осень в Москве отмечалась в 1924 году, когда за сезон выпало 59 мм осадков.

В середине октября погода обычно окончательно берёт курс на похолодание: в этот период становится особенно сыро и ненастно, световой день уже не превышает 10 часов, всё чаще подмораживает по ночам. Самыми влажными за последние годы были рекордно влажный октябри 1997 года (167 мм), 2002 года (131 мм) и 2012 года (138 мм), который стал третьим из самых влажных за всю историю. При этом нередко в третьей декаде октября — начале ноября в центр России приходит крупный антициклон, благодаря которому на несколько дней устанавливается достаточно высокая для этого времени температура воздуха — до +10..+15 °C. В 2014 году в начале 3 декады октября произошло сильнейшие арктическое вторжение. Даже дневная максимальная температура в эти дни была со знаком "минус", 23 октября не хватило всего 1,5 градуса до рекорда этого дня, 23 числа максимальная температура составила -6 градусов, что является одним из самых низких значений для октября за всё время измерений ВДНХ, минимум октября 2014 года (-11,7 градусов) оказался самым низким за последние 46 лет, последний раз более низкий минимум температуры в октябре отмечался в 1968 году. И впервые с октября 2003 года температура опустилась до двухзначного минусового значения.

Первый снег (летящий в воздухе, но чаще всего не ложащийся на землю) обычно идёт в середине октября, но может выпасть и во второй половине сентября, первый (временный) снежный покров образуется в последних числах октября — первых числах ноября. Как правило, он сразу же сходит, поскольку почва ещё недостаточно остыла, а также в это время высока активность западного переноса, что позволяет среднесуточной температуре оставаться положительной, особенно в ноябре, когда значительно преобладает пасмурная (из-за высокой влажности атмосферы) даже во время антициклона и иногда очень тёплая для ноября погода (до +10 °C и выше днём). В отдельные годы первый снег сопровождается гололёдом. Так было, в частности, 30—31 октября 2012 года, когда на Москву обрушился сильнейший ледяной дождь. Ледяной переохлаждённый дождь, идущий при отрицательной температуре воздуха, был отмечен в Москве и 3 ноября 2014 года.

Устойчивый снежный покров и общий зимний характер погоды устанавливается в конце ноября. Однако в последние годы из-за потепления климата эти сроки существенно сдвинулись: в 2005, 2008, 2009, 2011 и 2014 годах существенного снежного покрова и значительных морозов не было до начала — середины декабря, а зимой 2006—2007 и зимой 2013—2014 — даже до середины января.

Наиболее контрастным выдался ноябрь 2010 года: первая половина месяца была аномально тёплой, было установлено 6 суточных и 1 месячный (по тогдашним меркам) рекорд тепла, температура достигала +14,5 °C, а в самом конце месяца случилось резкое похолодание: 30-го числа температура опускалась до −19,6 °C. А в последних числах ноября 2012 года на Москву обрушился мощный снегопад, перешедший в ледяной дождь. 30-го числа сугробы подросли до 22 см (норма для середины января). Ноябрь 2013 года был вновь рекордно тёплым со среднемесячной температурой +4 °C, причем до 17 числа включительно она была устойчиво положительной и характерной для 1-ой половины октября: в отдельные дни положительная аномалия достигала +9..+13 °C, а 6-го числа в 17:00 был установлен новый месячный рекорд ноября, равный +16,2 °C. Даже похолодание и снег в конце месяца не помешали ноябрю 2013 года стать самым тёплым за всю историю метеонаблюдений в Москве (+4.0 градуса) и побить рекорд ноября 1996 года по среднемесячной температуре. А ноябрь 2014 отличился холодом, как и вся вторая половина осени 2014 года в целом, которая по средней температуре 3 осенних месяцев стала самой холодной за последние 12 лет, после осени 2002 года со средней температурой +4.9 градусов, и самой сухой за последние 9 лет, после осени 2005 года. Морозная бесснежная погода началась уже с 16 ноября, температура по норме была декабрьской, а завершился ноябрь и вовсе январскими морозами — среднесуточная температура 29 и 30 числа составляла -9.7 градусов, а минимальная в последний день ноября составила -12.5 градусов. После 2007 года это первый ноябрь с отрицательной средней температурой месяца,и первый за последние 7 лет ноябрь с температурой ниже нормы, при этом ноябрь 2014 года был полностью бесснежным месяцем, до этого такое случалось только раз в 1949 году, когда первый снежный покров появился 1 декабря, и вторым бесснежным ноябрём в истории, а также самым малоснежным за последние 65 лет. Устойчивый снежный покров образовался 2 декабря, что стало рекордно поздней датой появления снежного покрова за холодный период года.
 

Средняя температура календарных осенних месяцев, норма 1981—2010

Показатель	Сен.	Окт.	Нояб.	Осень
Ср.макс, °C	15,7	8,7	0,9	8,4
Средняя, °C	11,3	5,6	−1,2	5,2
Ср.мин, °C	7,4	2,7	−3,3	2,3