市の北西部は八甲田山の山麓である。青森市との境には、乗鞍岳などの南八甲田連峰がそびえ、青森市側の田代平から続く牧場が広がっている。谷地・猿倉・蔦・焼山といった温泉が点在する。市の南西部も山地であり、主なものはカルデラ湖である十和田湖、その外輪山である御鼻部山や十和田山である。十和田湖からの水に八甲田山麓などからの水を合わせ奥入瀬川が形成されており、特に湖岸の子ノ口から焼山までは奥入瀬渓流として有名である。 市の中部から東部、さらに隣の六戸町へと平坦な三本木原が広がる。三本木原は、奥入瀬川が流した土砂や八甲田山からの火山灰が積もって作られた洪積平野である。奥入瀬川は三本木原の南縁をさらに削って東へ流れており、三本木原へ上水するために新渡戸傳が開いたのが、人工河川である稲生川である。市の北東部には、砂土路川が北東に流れている。市の南東部は東西へ伸びる丘陵地であり、丘と丘との谷間を後藤川などが流れる。 ケッペンの気候区分では西岸海洋性気候に属し、冷涼である。気象庁によると、1979～2000年の平均値で、年平均気温9.4℃、最も寒い1月が-2.0℃、最も暑い8月が21.8℃である。北海道ほど寒くはないが、稲作が容易でない気温でもある。 降雨は、夏に多く冬に少ない。気象庁によると、1979～2000年の平均値で、年降水量961.3mm、降水量の最も少ない1月が28.5mm、最も多い9月が164.3mmである。 旧十和田湖町以外では八甲田山の東に位置するため、太平洋側気候で雪はやや少ない。それでも2月には50cm程度の積雪になり、豪雪地帯である。一方、旧十和田湖町では雪が多くなり、特別豪雪地帯で日本海側気候である。八甲田山から吹きつける寒冷な北西風は、八甲田おろしと呼ばれる。5月・6月には晴天が続くが、土ぼこり混じりの強風が西から吹くことがある。新渡戸傳が開拓にあたり防風林を設けたのも、西からの強風を防ぐためという。また、数年から十数年に一度は、7月・8月に偏東風（やませ）がゆるゆると流れる年がある。そういう年は、蒸し暑く感じる日もカッと晴れる日も稀で、薄暗い曇り空の日々が続き、しとしとと雨の降る日が偶にあり、米の収穫量はめっきり減る。11月には霜が降り、12月には雪が降る。