Ο ποταμός Μέριτς, μία από τις κύριες πλωτές οδούς της Βουλγαρίας, ρέει μέσα από το νότιο άκρο του Πάζαρτζικ.

Στην περιοχή του Πάζαρτζικ, δύο από τους αριστερούς παραποτάμους του εκβάλλουν στον ποταμό Μέριτς, ο οποίος πηγάζει από τη Σρέντνα Γκόρα και αποστραγγίζει ένα σημαντικό μέρος της πεδιάδας του Πάζαρτζικ. Ο ποταμός Τοπόλνιτσα ρέει 2 χλμ. δυτικά της πόλης και ο ποταμός Λούντα Γιάνα 8 χλμ. ανατολικά.

Κατά τη διάρκεια της τουρκικής κυριαρχίας, ο ποταμός Τοπόλνιτσα είχε παραποτάμους μέσα από την πόλη. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε το αρδευτικό κανάλι Πασά-Αρκ, το οποίο εξακολουθεί να διέρχεται από την πόλη σήμερα.

Τα ποτάμια στην περιοχή έχουν καθεστώς επαναφόρτισης βροχής-χιονιού, που σημαίνει ότι οι κύριες πηγές νερού είναι το νερό της βροχής, ενώ το λιωμένο χιόνι είναι δευτερεύουσας σημασίας, με αποτέλεσμα την πλήρη διαθεσιμότητα υδάτινων πόρων κατά τη διάρκεια περιόδων έντονων βροχοπτώσεων και έντονων χιονολειώσεων. Αυτοί είναι κυρίως οι μήνες Μάιος - Ιούνιος (μεγάλη ποσότητα βροχοπτώσεων πέφτει και το χιόνι λιώνει στα υψηλότερα μέρη των βουνών Ρίλα, όπου πηγάζει ο ποταμός Μέριτς) και Νοέμβριος - Δεκέμβριος (μεγάλη ποσότητα βροχοπτώσεων πέφτει ξανά).

Οι πλημμυρικές αναβαθμίδες ποταμών στην περιοχή είναι πλούσιες σε υπόγεια ύδατα.

Το κλίμα της πόλης είναι μεταβατικό μεταξύ εύκρατου ηπειρωτικού και μεσογειακού κλίματος. Χαρακτηρίζεται από ζεστά, σχεδόν ξηρά καλοκαίρια και υγρούς, μέτρια κρύους χειμώνες. Η μέση ετήσια θερμοκρασία αέρα είναι 12,5 °C. Οι πιο ζεστοί μήνες είναι ο Ιούλιος και ο Αύγουστος, όταν η μέση μηνιαία θερμοκρασία είναι 23-24 °C, ενώ οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Ιανουάριος και ο Φεβρουάριος, όταν η μέση μηνιαία θερμοκρασία είναι 1-2 °C. Ο αριθμός των ημερών με θερμοκρασίες πάνω από 32 °C είναι περίπου 35 ετησίως.

Η απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία που μετρήθηκε στο Πάζαρτζικ είναι –29,5 C.

Η ετήσια βροχόπτωση είναι περίπου 500 mm, καθιστώντας το Πάζαρτζικ από τις πιο ξηρές πόλεις της Βουλγαρίας. Υπάρχουν δύο μέγιστες και δύο ελάχιστες τιμές για τις βροχοπτώσεις: Μάιος - Ιούνιος, Νοέμβριος - Δεκέμβριος και Φεβρουάριος - Μάρτιος και Αύγουστος - Σεπτέμβριος, αντίστοιχα. Κατά τις περιόδους με τις υψηλότερες βροχοπτώσεις, συμβαίνουν καταρρακτώδεις βροχοπτώσεις που μερικές φορές ξεπερνούν τα 120 mm, συνοδευόμενες από δυσμενή κλιματικά φαινόμενα όπως χαλάζι, ομίχλη, παγετό κ.λπ. Τους μήνες με τις χαμηλότερες βροχοπτώσεις, η βροχόπτωση πέφτει κάτω από τα 30 mm, προκαλώντας παρατεταμένη ζέστη και επίμονες ξηρασίες.

Λόγω της θέσης του Πάζαρτζικ σε πεδιάδα και περιτριγυρισμένου από οροσειρές, οι άνεμοι στην περιοχή είναι ασθενείς. Η μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου είναι περίπου 1 m/s. Χαρακτηριστικός είναι ο ζεστός, σκληρός άνεμος Φεν, ο οποίος φυσάει από τις βόρειες πλαγιές των βουνών και αυξάνει τις θερμοκρασίες τον χειμώνα.

Δυσμενή κλιματικά φαινόμενα: Κατά το ψυχρότερο μισό του έτους, αυτό ονομάζεται αναστροφή θερμοκρασίας και συμβαίνει όταν ο κρύος αρκτικός αέρας εισβάλλει στη χώρα και οι θερμοκρασίες στις πεδιάδες και τις κοιλάδες μπορούν να πέσουν στους -20 C. Η ομίχλη είναι τυπική τον Δεκέμβριο. Οι καλοκαιρινές καταιγίδες με ισχυρούς ανέμους, χαλάζι και καταιγίδες είναι ένα αρνητικό γεγονός. Ένα άλλο αρνητικό κλιματικό φαινόμενο που επηρεάζει το Πάζαρτζικ κατά το θερμότερο μισό του έτους είναι η ξηρασία που συνοδεύεται από ζεστό τροπικό αέρα, ο οποίος μπορεί να ανεβάσει τις θερμοκρασίες πάνω από 40°C. Στις μεταβατικές εποχές, οι παγετοί στις αρχές του φθινοπώρου και τα τέλη της άνοιξης μπορεί να είναι επικίνδυνοι.

Τα εδάφη γύρω από το Πάζαρτζικ είναι δάση κανέλας. Τα γεωλογικά τους χαρακτηριστικά είναι γεωγραφικά-ζωνικά. Είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος εδάφους στη Βουλγαρία και καλύπτουν το 22,5% της κάλυψης εδάφους της χώρας. Έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε άργιλο, γεγονός που υποδηλώνει πυκνή μηχανική σύνθεση. Είναι κατάλληλα για την καλλιέργεια αμπελώνων, μηλιών, κερασιών κ.λπ. Τα αλλουβιακά λιβαδινά εδάφη είναι κοινά κατά μήκος των ποταμών της περιοχής, ειδικά στις πλημμυρικές αναβαθμίδες του ποταμού Μέριτς και των παραποτάμων του. Είναι αζωνικά σε τύπο και μορφή σε συνθήκες υψηλής υγρασίας. Ντομάτες, πιπεριές, αγγούρια, κρεμμύδια κ.λπ. αναπτύσσονται με επιτυχία σε αυτά τα εδάφη.

Η βλάστηση μέσα και γύρω από την πόλη αποτελείται κυρίως από φυλλοβόλα είδη όπως δρυς, φλαμουριά, λεύκες, καστανιές, πλατάνια κ.λπ., και λιγότερο συχνά από κωνοφόρα είδη όπως πεύκο και έλατο. Γύρω από τα ποτάμια φυτρώνουν ιτιές, σημύδες, κισσοί κ.λπ.

Το ζωικό βασίλειο γύρω από το Παζαρτσίκ περιλαμβάνει εκπροσώπους της πανίδας της Ανατολικής Ευρώπης: αλεπούδες, τσακάλια, κουνέλια, σκίουρους, ποντίκια, σπουργίτια, δρυοκολάπτες, πέρδικες κ.λπ.