茂县位于自治州东南部，四周与北川、安县、绵竹、什邡、彭县、汶川、理县、松潘9县相邻。南北宽 94．8公里，东西长 116． 5 公里，地理座标北纬 31°24′～32°17′、东经 102°56′～104°10′，幅员面积 3885.6平方公里。地处青藏高原向川西平原过渡地带、高山耸峙、峰峦叠嶂、河谷深邃、悬崖壁立，北有岷山、南有龙门山、西有邛崃山诸山脉，有“峭峰插汉多阴谷”之称。地势西北高，东南低，山脉海拔多在4000米左右。西部最高峰万年雪峰海拔5230米，东部土门河下游谷底海拔890米为境内最低点。

境内地质构造复杂，大部属马尔康地质分区，东南部的狭小部分属龙门山地质分区。岩层主要以夹沙灰、黑色页岩、砂板岩、火成岩等构成。土壤以暗棕壤、褐土、棕壤为主。地处龙门山地震带，是全国地震活跃地区之一。

岷江自北向南纵贯全境。黑水河、赤不苏河、松坪河分别在大小两河口和叠溪镇汇入岷江。土门河从西向东纵贯土门全区，汇入涪江水系。由于境内江河纵横，水流湍急，水能蕴藏量 127.5万千瓦，可开发量 39.8万千瓦，具有极大的潜能。独特的人文景观和特殊自然条件下形成的奇异自然景观融为一体，“九顶朝霞”、“四面山峦回峰映，一潭碧水狭口流”的风光及叠溪海子的湖色，以及水波湛蓝、林山幽深、山峦叠翠的松坪沟群海和叠溪地震遗址，山水相连、花草争艳的九顶山，古老雄壮的碉楼碉房，别俱一格的黑虎羌寨等秀丽景色是有极大开发价值的旅游资源。九顶山、松坪沟 、叠溪地震遗址、营盘山文化遗址、黑虎羌寨现已开发。

气候具有干燥多风，冬冷夏凉、昼夜温差大、地区差异大的特点。县城平均气温 11.1℃，最低气温- 11． 6℃，最高气温 32℃。平均日照数1557.1小时。年降水量490．7毫米，平均蒸发量1375.7毫米。无霜期215．8天。河谷与高山气温悬殊，春天高山冰雪未融，河谷已是百花盛开。

自然资源丰富，矿产资源有磷、锰、钒、钛、石膏、大理石等。野生动植物种类繁多，主要草本植物有189种；优质树种有冷杉、云杉、桦树等及珍稀树种岷江柏、银杏、红豆杉、合欢等56个，中药材植物类184科、574种，分布总面积50多万亩，其中以虫草、天麻、贝母等较著名。有兽类、鸟类野生动物41种、101属，其中大熊猫、小熊猫、金丝猴、扭角羚、豹、毛冠鹿、盘羊、红腹角雉等属国家重点保护的珍稀动物。