노령산맥과 소백산맥이 각각 군의 중북부와 동남부를 지나, 지세는 이들 산계와 그 사이에 있는 고원상분지(高原狀盆地)로 나뉜다.동쪽에 대성산(大聖山, 705m)·서대산(西臺山, 904m)·국사봉(國師峰, 668m)·천태산(天泰山, 715m)·월앙봉(月仰峰, 529m)·성주산(聖住山, 624m)·양각산(兩角山, 565m)·베틀봉(539m)·수로봉(水路峰, 506m)·덕기봉(德基峰), 서쪽에 대둔산(大芚山, 878m)·오대산(五臺山)·진악산(進樂山, 732m)·마이산(馬耳山, 627m), 북쪽에 망월산(望月山, 308m) 등이 잇달아 뻗어 있어 도내에서는 가장 큰 산악지대를 이루며, 완주로 통하는 교통의 요지인 배티재가 있다.

전라북도 장수군·진안군·무주군에서 발원하는 금강의 본류는 부리면 방우리, 제원면 천내리·용화리를 지나 충청북도 영동군으로 빠져나가 봉황천·기시천(掑嘶川)·금산천(錦山川)·조정천(鳥亭川) 등의 여러 지류를 합해 흐른다. 군 서북부 지방의 배수를 담당하는 유등천(柳等川)은 진산면에서 발원해 금강의 중류와 하류 부근에서 본류와 합류한다.이들 하천유역에는 비옥한 충적평야가 펼쳐지는데, 분지 중앙의 잔구성 구릉인 금성산(錦城山)을 분수령으로 해 서북부의 유등천유역을 중심으로 하는 진산분지(珍山盆地)와, 동남부의 금강 및 그 지류의 유역을 중심으로 하는 금산분지로 크게 둘로 나누어진다.

지질은 대체적으로 옥천계지층(沃川系地層)의 변성퇴적암지역(變成堆積岩地域)에 속해 인삼재배에 적합한 사질양토가 풍부한 편이다.식생은 잣나무·죽류·사철나무·줄사철나무·팽나무·단풍나무·서나무 등이 자생한다.기후는 대략 남한의 중앙부에 위치한 산악분지이므로 한서의 차가 심하며, 산지가 높기 때문에 같은 위도 상에 있는 도내의 다른 지역에 비해 서리와 눈이 오는 날이 많고, 같은 군내에서도 분지의 평야부와 고산지대의 기온차가 3∼4℃에 달한다. 연평균 기온 12.2℃, 1월 평균기온 -1.4℃, 8월 평균기온 26.0℃, 연 강수량은 1,586.1㎜이다.