万州区地处四川盆地东缘，重庆市东北边缘，位于东经107°55’22''~10853'25''，北纬30°24'25''~31°14'58''。东与云阳，南与石柱和湖北利川，西与忠县和梁平，北与开江和开县接壤，东西广97.25公里，南北袤67.25公里，面积3457平方公里（耕地面积100万亩，其中田58.49万亩；大于25度坡地50.14万亩，其中旱地32.49万亩），城市面积32.5平方公里，直线距离重庆市228公里。区内山丘起伏，最高点普子乡沙坪峰，海拔1762米，最低点黄柏乡处长江边，海拔106米，西北部高升乡凤山材肖垭口，海拔高度为1373.3米，境内相对高差分别为184.5米、1266.8米，低山、丘陵面积约占四分之一，低中山和山间平地面积约占四分之一，极少平坝和台地，且零星散布。

境内河流纵横，河流、溪涧切割深，落差大，高低悬殊，呈枝状分布，均属长江水系。长江自西南石柱、忠县交界的长坪乡石槽溪（海拔118米）入境，向东北横贯腹地，经黄柏乡白水滩（海拔约106米）流入云阳县，流程80.4公里。境内流域面积在100平方公里以上的河流有江北的苎溪河、渡河、石桥河、汝溪河、浦里河，江南的泥溪河、五桥河、新田河共八条，溪沟93条，总水域面积为16.3万亩（108.66平方米）。

境内出露地层的地质年代多见于中生代三叠纪和侏罗纪，形成时间距今2.3~1.37亿年，以侏罗纪分布最广，三叠纪次之，局部地方有距今2.85~2.3亿年的古生代二叠纪地层，也有距今250万年的新生代第四纪地层，境内地质构造线，属新华夏系第三巨型隆起带武陵山褶皱带西缘与大巴山弧形褶皱带控制的四川菱形构造盆地的北东三北东方向延伸出境外，消失于七曜山背斜构造的北西侧，形成向突向北西的万县弧形构造线。

万州区境内属亚热带季风湿润带，气候四季分明，冬暖、多雾；夏热，多伏旱；春早，气温回升快而不稳定，秋长，阴雨绵绵，以及日照充足，雨量充沛，天气温和，无霜期长，霜雪稀少。境内多年平均气温17.7°C，最高年平均气温19.0℃（1982年），最低平均气温176℃（1974年）；多年极端最高气温为41℃（1972年8月26日），极端最低气温零下3.7℃（1955年1月27日，1975年12月15日），多年平均年日照时数1484.4小时，最高年日照时数1713小时，最小年日照时数924小时，据境内大滩口水文站资料统计，多年平均降水1243毫米，最多年降水量为1549.6毫米（1982年）。最低年降水量为981.9毫米（1976年），多年平均年水面蒸发为620毫米，年蒸发总量达10.85亿立方米。