位置
万源市位于四川东北部，大巴山腹心地带，界于北纬30°39′—32°20′，东经107°28′—108°31′之间，是中国南北气候的分界线和嘉陵江、汉江的分水岭，地处川、陕、渝三省（市）结合部，7个县市的交汇处。
地形
万源市属典型的山区农业市，境内山峦重叠，沟壑纵横，海拔高差大，相对高差达2000米，大部分地方海拔600—1400米，占幅员面积的83%。地形由东北向西南倾斜，地貌类型主要为山地。
大巴山主脉自西北向东南绵亘于境内北部，主要山峰有花萼山、赵家山、歪头山、老八合山、九盘石、龙池山，海拔均在1600米以上。最高峰花萼山，海拔2380.4米。东北部山区岩溶地貌发育良好。
气候
万源市市境位于中纬度地区，属于北亚热带，冬无严寒，夏无酷热，雨量充沛，四季分明，霜日较多，雪日较少，风多、风大，常有旱涝交替发生。立体气候特征明显，气候差异性大。
市境内受北方干冷气流和海洋暖湿气流的交替控制。夏季，强大的夏季风从海洋上带来大量水汽，由地势的抬升和大巴山的阻挡形成丰沛的降水。当夏季风特别强烈的年份又容易造成伏旱。冬季，受冬季风控制，空气干燥，降水少。
春季气温回升快，但不稳定，寒潮和冷空气活动频繁。夏季高温多雨，多雷雨大风，日照充足，伏旱严重。秋季气温下降快，秋高气爽和秋雨连绵天气交替出现。冬季气候寒冷干燥，有霜雪。
市境内多高山峡谷，地表崎岖不平，地势由东北向西南倾斜，相对高度1200米，形成特殊的立体气候，气候垂直变化大。降水量在海拔1600米以下，随高度的升高而增加，1600～1800米为最大降水高度，1900米以上降水量随高度的增加而减少。
气候水平差异比较明显，如西南部较东北部山势平缓，地形开阔，一般日照较长。东北部由于高山遮挡，倾角较大，日出晚日落早，加上多有云雾笼罩，日照少；同一山上阳坡日照时数多，阴坡日照少。梨树、皮窝两乡，地处大巴山垭口地带，西北寒流和大巴山南坡暖流相遇机会多，因而降水次数多，量较大，多年平均降水量为1600毫米，比相距20公里的万源城多500毫米，为万源暴雨中心地带。