Осадки в течение года выпадают неравномерно, сильно колеблясь по годам. Здесь отмечено два дождливых периода: зимний — с декабря по март и летний — с линевыми дождями с июля по сентябрь. Количество осадков колеблется от 100–250 мм. Температура круглый год положительная. Максимальная температура 38° С. Даже в феврале температура поднимается до 32° С. Почвы тропические пустынные, во многих районах — засоленные.

Флора пустыни очень разнообразна. Среди них наиболее богато представлены виды семейств сложноцветных, злаков, бобовых, гречишных, кактусовых, молочайных. Среди жизненных форм наибольшим числом видов представлены ксерофиты (эфемеры и другие однолетники). Среди кустарников и деревьев в пустыне Сонора обращает на себя внимание — железное дерево, слоновое дерево и идрия. Суккуленты не занимают ведущего места (кактусы и другие).

Фауна пустыни характеризуется меньшим своеобразием. Только здесь можно встретить антилопового зайца, антилопового суслика. Для Соноры характерны несколько видов гремучих змей, змея лира, мелкие роящие змеи, розовый удавчик, листопалый геккон, среди земноводных — колорадская жаба. Среди млекопитающих обычны грызуны (кенгуровые крысы), представители семейства беличьих (земляные белки), хомякообразные (оленьи мыши и другие), зайцеобразные.

Эти грызуны служат пищей для хищников — змей, лисиц, кошек, барсуков, соколам. Копытные в настоящее время редки (олень-мул, ошейниковый пекари). В пустыне обитают различные четвероногие хищники из семейства собачьих, кошачьих, куньих и енотовых. Птицы всегда хорошо заметны. Наземный образ жизни ведет земляная кукушка, чешуйчатый перепел. В норах гнездится земляная сова. Кроме этого можно встретить воробьинообразных (кактусовый крапивник и кривоклювый дрозд, пустельга), дятлов, крикливую совку, древесную ласточку. Рептилии в пустыне Сонора особенно разнообразны: по числу видов они превосходят другие группы наземных позвоночных (пустынная черепаха гофер, леопардовая ящерка, гребнепалая ящерица). Гекконовые представлены небольшим числом видов (толстохвостый геккон и другие). Среди змей пустыни большинство неядовитых из семейства ужеобразных.

Большую часть суккулентов пустыни Сонора составляют кактусы. Главным из них является гигантский сагуаро (Cereus giganteus). Его высота в среднем 10-12 м, а самые крупные достигают высоты 15 м и весят до 7 т, состоя на 90% из воды. Поверхностная корневая система расходится от ствола в радиусе до 30 м, позволяя растению собирать влагу во время дождей с большой площади. Растет сагуаро очень медленно, при высоте 2-3 м (50-60 лет) начинает плодоносить. Давать боковые побеги и ветвится, принимая свою классическую форму, сугуаро начинает только после 70, а иногда и 100 лет. Цветение происходит очень интенсивно: взрослое растение в период весенних дождей выпускает около 100 цветков. Оставаясь раскрытыми почти сутки, они опыляются различными насекомыми – пчелами, бабочками, муравьями, мухами, птицами и нектароядными рукокрылыми.