天祝山川瑰丽，素有“高原金盆”之称。地貌以山地为主，地势西北高而东南低，海拔在2040—4874米之间。海拔在4000米以上的大雪山、代乾山等山峰，峰峦叠嶂、山顶终年白雪皑皑，山涧森林茂密，流水潺潺，景色秀丽。境内分布有抓喜秀尤滩、松山滩等优质草原，有号称天祝“小三峡”的先明峡、朱岔峡、金沙峡和石门沟等著名自然景区。县境中部的乌鞘岭如一道天然屏障，势控河西，是古丝绸之路的咽喉要冲，河西走廊的东端门户。以此岭为界，岭南属大陆性高原季风气候，岭北属温带大陆性半干旱气候。县域内气候类型复杂多样，以大陆性高原季风气候为主。境内河流广布，黄河水系的主要河流有大通河、金强河、石门河等，石羊河水系的主要河流有毛藏河、哈溪河、南岔河、响水河、西大滩河等17条河流，年径流量10.24亿立方米（不计大通河径流量28.13亿立万米）。