Η κοιλάδα Willamette χαρακτηρίζεται από ένα μεσογειακό κλίμα με ζεστά, ξηρά καλοκαίρια και δροσερούς, υγρούς χειμώνες. Η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι 54 °F (12 °C) και η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 40 ίντσες (1.000 mm). Τα καλοκαίρια είναι συνήθως ξηρά με λίγες βροχές, αλλά οι χειμώνες είναι βροχεροί με περιστασιακές χιονοπτώσεις. Η άνοιξη στην κοιλάδα Willamette συχνά χαρακτηρίζει δραματικές αλλαγές θερμοκρασίας και ισχυρούς ανέμους.
Η κοιλάδα Willamette φιλοξενεί πολλά ξεχωριστά οικοσυστήματα, συμπεριλαμβανομένων των δασών βελανιδιάς, των κωνοφόρων δασών, των λιβαδιών και των υγροτόπων. Τα δάση βελανιδιάς βρίσκονται στα χαμηλότερα υψόμετρα της κοιλάδας, ενώ τα κωνοφόρα δάση βρίσκονται στα υψηλότερα υψόμετρα. Τα λιβάδια βρίσκονται στο κεντρικό τμήμα της κοιλάδας και οι υγρότοποι βρίσκονται στα περιθώρια της κοιλάδας.
Η κοιλάδα Willamette φιλοξενεί έναν ποικίλο πληθυσμό φυτών και ζώων. Μερικά από τα φυτά που είναι εγγενή στην κοιλάδα περιλαμβάνουν το έλατο Douglas, το δυτικό κώνειο, το έλατο Sitka, το κόκκινο σκλήθρα και το σφενδάμι. Μερικά από τα ζώα που είναι ιθαγενή στην κοιλάδα περιλαμβάνουν ελάφι με μαύρη ουρά, άλκες Ρούσβελτ, μαύρη αρκούδα, κάστορα και βίδρα ποταμού.