长安县地质条件复杂多样,横跨两个大地构造单元,以秦岭北坡东西向的“蓝眉大断裂”为界,南侧为秦岭古生代褶皱带,北侧为阶梯式下降的复式地堑构造,出露地层有变质岩、沉积岩和岩浆岩,山原相间的地貌景观十分明显,全县南高北低,东高西低,最高点海拔2886.7米,最低点384.7米,南部为秦岭中段北侧的终南山地区,北部为渭河断陷谷地冲积平原,东部台原与河川相间,西部地势平坦。
气候属暖温带半湿润大陆季风区,湿润、雨量适中,四季分明。年平均气温13.1℃,无霜期210天,降水量700毫米。春夏多干旱,秋季常有连阴雨。
河流分属沣河、浐河两大水系。沣河主要支流有大峪河、潏河、滈河、高冠河、太平河等;浐河主要支流有库峪河、汤峪河、荆峪沟等。由于地质构造的影响,县境内地下水埋深和富水性地域差异性较大。西部平原区地下水埋深较浅,富水性好。东部台原区富水性较差。
全县土壤类型复杂,平原及河川区主要为潮土、河淤土、潮墡土,台原区主要为褐墡土、黑油土、黄塔土;秦岭山区主要为褐土、棕壤和暗棕壤等。