三江属云贵高原东南麓苗岭余脉边缘的丘陵山地地带，地势总体由北向南倾斜并呈V型河谷状。最高山白云山，位于县境中部的老堡乡与融水苗族自治县白云乡交界处，海拔1308.7米（此为2010年12月地图数据。1991年地图数据为1448米）。境内河溪纵横，全县有大小河流74条，主干河流溶江、浔江、苗江分别贯穿县境西部、东部、北部，均属西江水系。其中溶江发源于贵州省独山县，经三都、榕江、从江等县从县境西部的梅林乡石碑村入境，再流经富禄、洋溪、良口等乡至老堡乡老堡口与浔江交汇，境内全长91千米，年径流量102.5亿立方米；浔江发源于桂林市资源县，经龙胜各族自治县从县境东部的斗江镇沙宜村入境，再流经古宜镇、程村乡至老堡乡老堡口与溶江交汇，境内全长63千米，年径流量58亿立方米；苗江发源于独峒乡干冲村三省坡南麓，流经同乐苗族乡至良口乡产口村注入溶江，全长47.3千米，年径流量3.25亿立方米。溶浔两江于老堡口交汇后称融江，再南流至丹洲镇丹洲村进入融安县境，境内全长44千米，年径流量179.32亿立方米。

县境属中亚热带季风性湿润气候带南岭湿润气候区，2012年至2021年平均降雨量1516.7毫米，多年平均气温18.9 ℃，南北相差1.5℃。全年最热是7月份，平均为27.5℃，极端气温最高为 39.7℃（2016年 7月 31日）；最冷是1月份，平均为7.5℃，极端气温最低为-2.8℃（2018 年 2月 6日）；多年平均日照1242.9小时；多年平均无霜期329天。春多寒潮阴雨，夏有暴雨高温，伏秋易旱，冬有寒霜，一年四季分明。汛期集中于春、夏季节。冬春季还有寒潮、冰雹、飓风等灾害性天气。

三江山地多平地少，素有“九山半水半分田”之称。2021年，全县耕地总面积9604.67公顷。县境属红壤地带性土壤，海拔500米以下的丘陵为红壤性土壤，500米至850米的为黄红壤地带性土壤，850米以上的为黄壤地带性土壤，成土母质主要是砂页岩。土体深厚，土壤肥沃，适宜用材林、经济林生长。全县生态环境优良，境内植被以亚热带常绿阔叶林为主，竹、木分布广泛，野生植物资源丰富，有樟树、椎树、荷木、楠木、枫树、栎树、泡桐树、榕树、竹类等用材植物，桔梗、鱼腥草、红杜仲、灵芝菌、金银花、勾藤等药用植物，山苍子、乌桕子等油料植物，龙须草、芭芒草、芒编蕨等纤维植物，松脂、五倍子等化工原料植物，山茶花、桂花、月季花、杜鹃花等植物，猕猴桃、杨梅、葡萄、鸟梨等果类植物，以及金刚蔸、黄狗头、土茯苓、土淮山、米椎、野板栗等淀粉植物，是广西的主要林区之一，被定为杉木、茶油、桐油、毛竹四大商品生产基地之一。2021年全县有林地面积19.26万公顷，有林面积14.60万公顷，森林覆盖率为79.30%。野生动植物资源有野猪、穿山甲、竹鼠等兽类，班鸠、画眉、猫头鹰、金鸡、寒鸡、啄木鸟等鸟类，青蛙、蛇、乌龟、螃蟹等两栖类，鲤鱼、草鱼、骨鱼、七星鱼、青鱼、黄鳝、泥鳅等鱼类。空气环境质量保持国家一级标准，地表水环境质量保持国家Ⅱ类标准以上。境内河溪径流充沛，河流落差大，水能资源丰富，水能蕴藏量27.67万千瓦，有开发价值的22.5万千瓦，目前已开发5.15万千瓦。境内矿产资源已查明的金属矿种有铁、锰、金、铅锌、铜、钒、钨、钾、铀等，非金属矿种有石煤、磷、重晶石、金刚石、辉绿岩等，具有开采价值的有锰、金、铅锌、钒、磷、重晶石、辉绿岩等。