三门峡市地处河南省西部，介于北纬33°31′24″～35°05′48″、东经110°21′42″～112°01′24″，位于豫晋陕三省交界黄河南金三角地区，东北接洛阳市新安县、东临洛阳市宜阳县和洛宁县；东南邻壤洛阳市栾川县；南同南阳市西峡县为邻；西南与陕西省商洛地区洛南县、丹凤县、商南县相连；西和陕西省渭南市潼关县共界；北隔黄河和山西省运城地区芮城县、平陆县、夏县、垣曲县相望。

三门峡市东西横距153公里，南北宽132公里，总面积9935平方公里。处于秦岭山脉东延与伏牛山、熊耳山、崤山交汇地带，平均海拔高度在300至1500米之间。三门峡市地形多样，有“五山四陵一分川”之称。地貌以山地、丘陵和黄土塬为主，山区面积约5750平方公里，丘陵面积约3285平方公里，川原面积约900平方公里，分别占总面积的57.9%、33.1%和9%。海拔2413.8米的小秦岭老鸦岔脑峰是河南省最高峰，现在老鸦岔脑山区已经开辟为小秦岭国家级自然保护区。三门峡市区座落在黄河南岸阶地上，三面临水，形似半岛，素有“四面环山三面水”之称。

三门峡市地处中纬度内陆区，除卢氏县熊耳山以南低山丘陵区为亚热带气候外，全市大部分地区属暖温带大陆性季风型半干旱气候，同时，还受到地形等非地带性气候因素的影响。全市年平均气温13.7度，年平均降水量584.9毫米，年平均日照时数2055.4小时。

全市共有大小河流3107条，分属黄河、长江两大水系。黄河流域面积9376平方公里，占全市总面积的89.3％，黄河干流陕西省潼关县东入灵宝市境，流经灵宝、陕州、湖滨、渑池4个县（市、区）的16个乡镇，全长206公里，历史上最大洪峰流量达每秒3.6万立方米（1843年）。长江水系主要是卢氏县南部和东南部的老灌河和淇河及其支流，流域面积1120平方公里，占总面积的10.7%。除黄河外，境内流域面积在100平方公里以上的河流33条，其中，灵宝市境内11条，陕州区境内5条，渑池县境内3条，卢氏县境内14条。