湄潭地处川黔南北向构造带、北北东向构造带和北东向构造带的交汇地带。县境地层构造跨越 5个界8个系，其中寒武系分布最广，占全县总面积的52%，其次是奥陶系处。境内地质断层交错，折皱细密，构造复杂，地貌多样。按地层岩性分类，岩溶地貌占三分之二。由于长期侵蚀，县内地貌又演化变形为多种微地貌形态，可谓峰丛沟谷交错，坝地丘陵相镶，自然景观独特。
湄江河属长江流域乌江水系，干流乌江自西向东流过南部边界，界河段长18公里。湄江河湘江河主干流。湄江河发源于绥阳县小关乡山羊口，自北向南流经湄潭县 8个乡镇，在新南乡角口处与西来之湘江汇合之后称湘江，全长 151.7公里，流域范围涉及遵义市两城区和湄潭、遵义、绥阳、桐梓、凤冈五县，流域总面积4863平方公里，多年平均流量为73.3秒立方米。湄潭县地表水资源量9.421亿立方米，水力资源可开发量2.44万千瓦。 湄潭县属中亚热带季风湿润气候，四季分明，气候平和，多年平均气温14.9摄氏度，高于或等于IOF的持续期长达221天，最低的一月为3.8摄氏度，最热的七月为25.1摄氏度，极端最低气温为-7.8摄氏度，极端最高气温为37.4摄氏度。年无霜期为284天，年日照时数1163小时，日照百分率为26%，年总辐射量 3488兆焦耳/平方米，为全国太阳辐射最低的地区之一。多年平均降水量为1137毫米，降水量分布不均，夏季最多占41.2%;冬季最少仅占6.1%。自然灾害主要有干旱、洪涝、冰雹等。