本县地处北纬中纬度,属暖温带大陆性季风气候,光热资源丰富,雨量比较充足,年降雨量平均537.6毫米,境内土层肥厚,宜耕宜林;地下水埋深较浅,水质良好;渠井双灌,是陕西省粮、棉、麻、烟、菜、果、肉、蛋、奶主要产区之一。
境内西北有嵯峨山及山前台地,构成山原区;北部是黄土台原;南部是泾渭冲积平原,平原面积占全县总面积的50%以上。清峪河先北南后西东向流经腹地,将南部平原分割成南北两部分;赵氏河绕东北边界注入石川河;浊峪河自楼底出谷,引灌清河以北大片农田。由于水流的作用,将北部台原切割成东、中、西三道原,此为苻秦以来三原县名之缘由。
建国后全县自然面貌变化很大。南部平原,水渠纵横,机井棋布,农田成方;北部台原,坡地梯田化;原面引灌玉皇阁、前嘴子库水,以及引泾(水)上原,水浇地从无到有,面积不断扩大,几亩、几十亩甚至上百亩的果园到处可见;西北山原,育林面积成倍增长,林、果、牧业生产已粗具规模。