La luzerne pousse dans des milieux climatiques très divers et accepte des températures extrêmes. Les températures très élevées (+ 40 °C) peuvent réduire la croissance, le rendement et la pérennité. Il faut atteindre des températures de - 30 °C pour observer des dégâts importants.

La température accélère l'établissement de la surface foliaire dans une gamme allant de 10 à 28 °C.
La proportion de feuilles est plus importante à des températures basses (si > 10 °C) pour un âge donné. Elle est par ailleurs plus élevée pour des températures moyennes (15 à 30 °C) à stade physiologique équivalent. Le taux d'apparition de nouvelles feuilles augmente avec la température jusqu'à 30 °C puis décroît ensuite.

Comme dans le cas des feuilles, le rendement en tiges s'accroît à des températures basses pour un stade physiologique donné en raison de périodes de croissance plus longues. Mais à stade équivalent, la croissance est maximale entre 20 et 27 °C. La croissance des tiges diminue en-dessous de 18 °C et au-dessus de 30 °C. Une rapide croissance estivale est en général associée à des plantes de petite taille.

La structure et la composition des tiges sont modifiées par la température. Le ratio lignine/cellulose des tiges augmente avec la température entre 17 et 32 °C, en raison de la lignification des parois cellulaires. Le diamètre des tiges diminue également avec l'élévation de température.

En général les racines réagissent de la même façon que la partie aérienne aux variations de températures. Relativement à la partie haute, les racines poussent mieux aux températures fraîches (9 °C). Cependant elles réalisent leur meilleure croissance dans des sols dont la température est de 23 °C.

Dans le cas des semis, des températures de 4 °C nuisent au développement du pivot central et probablement à l'accumulation des réserves. La zone de température optimale pour la fixation de l'azote atmosphérique se situe entre 15 et 27 °C. Les températures supérieures à 30 °C ont un effet dépressif sur le fonctionnement des nodosités.