1、温度
芝麻一生需要积温2500～3000℃左右，中国极大部分地区能满足这一要求。芝麻种子在16～36℃能正常发芽，但最适宜的温度是24～32℃，当低于12℃或高于40℃时发芽受到影响。芝麻的生长发育在昼夜平均温度20℃时较好，以20～24℃最适宜。苗期当温度低于5℃时，幼苗就会停止生长。开花结蒴时如气温低于15℃，则易出现畸形花、不孕花，严重时则导致落蕾落花或蒴果发育不良。温度过高对芝麻开花受精也有很大的影响，尤其在干旱情况下，极易引起落花落蕾。据中国农业科学院油料作物研究所的观察，在干旱情况下，芝麻开花成蒴率与花期日平均气温呈高度负相关。
2、光照
芝麻原属于短日照作物，但由于在中国地理分布广，栽培历史长，受不同的地理环境和栽培措施的影响，形成了许多对日照反应不同的品种类型，在长日照和短日照条件下都能结实。芝麻是喜光怕阴的作物，全生育期内需要日照时数600～800h。
3、水分
芝麻为中等需水作物，表现为稍耐旱而怕渍涝。据河南薄山灌溉试验站试验，土壤含水率在12%～20%之间，出苗率可达80%～95%，但最适宜含水率为16%～20%。如果土壤含水率达24%以上，则土壤水分达到或接近饱和状态，不利于芝麻出苗。该站1960年试验表明，芝麻在生育期间需水3010.5m3/hm2，折算降雨量为301.2mm。中国芝麻主产区生育期间的降雨量一般为300～500mm之间，适合芝麻生长发育的需要。芝麻在不同生长发育时期对水分的吸收量不同。在幼苗阶段，由于生长缓慢，根系吸收能力较弱，最适生长的土壤含水量为16%～20%。现蕾、开花、结实阶段，根系生长迅速，对水分吸收能力增强，耗水量占总耗水量的60%。芝麻开花最适宜的相对湿度是94%～99%，特别在97%左右时，植株开花数量最大。当湿度下降到70%以下时，就不利于芝麻的开花受精。中国农业科学院油料作物研究所的渍害试验表明，芝麻从营养生长向生殖生长转移的时期是最不耐渍的时期。