咸安区地处江汉平原向江南丘陵地区的过渡地带，北部为江汉平原长江以南的一部分，南部背靠幕阜山脉的北支大幕山。地形有低山、丘陵、垄岗、平畈、平原五大类型。地势东南高，西北低。南部低山，自东至西分布有大幕、钟台、大山垴、常轮和大元五大山脉，皆属幕阜山北翼支脉，主体部分分布于双溪桥镇东南部、大幕乡、桂花镇和汀泗桥镇南部，其中大幕乡大幕山的主峰灶背岩，海拔954.1米，是全境的最高点；中部丘陵－垄岗－平畈，面积1156.39平方千米，占全区总面积的76.9％；北部平原，向阳湖镇北岭村斧头湖畔的东边刘，海拔17.3米，为咸安区的最低点。 

  咸宁城区山岭较多，这些山岭均属于中部丘陵区的低丘，形态多为高低起伏的长条形，基本上是与京广铁路大致平行的东北—西南走向。永安街道老城区西侧一组，呈“S”形，由南向北为石鼓岭、双龙山、凤凰山，三山联肩接翼，西北止于向阳湖镇铁铺村严家嘴，京广铁路、107国道从其颈部穿过。永安街道新城区有一组共7座山岭，背倚铁路从东北往西南呈链式排列，依次是龟山、文笔山、东皋山、相山、大金山、小金山，再往南是青龙山、浮山。浮山和青龙山中间由青龙路隔开，两山夹于城区两条主干道长安大道和永安大道之间。长安大道西南有孝子山。温泉街道南部有一组由香吾山和潜山组成的山岭。 

  境内山区岩溶地貌发育，石灰岩溶洞较多，有名字的洞有20余个，其中以太乙洞、鸣水泉洞、飞仙洞、雨扇洞为最。 

  咸安区属中亚热带季风性湿润气候，光照充足，气候温和，无霜期长，降水丰沛且雨热同期，四季分明，常有梅雨、伏旱现象。年降水量一般在1 600毫米左右。春季从3月中旬开始，约70天，平均降雨量527.85毫米，约占全年的37％。夏季从5月下旬开始，约130天，平均降水量633.99毫米，占全年的39.79%。秋季从9月下旬开始，约57天，晴多雨少。冬季从11月下旬开始，约108天，平均降水量216.23毫米，占全年的12%。年均总日照时数1 643.7小时，年日平均气温17.2摄氏度，最高气温曾达41.7摄氏度，最低气温曾低到零下10摄氏度。 

  淦河、高桥河、汀泗河汇集大小支流70余条，构成境内三大水系，总长567.8千米，其中淦河是唯一贯穿咸宁城区的河流，境内流域总面积809.4平方千米，占全区总面积的54％。水能总蕴藏量2.3万千瓦。有陆生野生动物260余种，其中国家二级保护动物有穿山甲、水獭、大灵猫、小灵猫，虎纹蛙、大鲵，猫头鹰、白鹇、大天鹅、小天鹅、雕鸮、领角鸮、草鸮、鹰鸮、短耳鸮、蓝翅八色鸫。区内国家Ⅰ级重点保护树种有南方红豆杉、珙桐、秃杉、银杏、水杉，国家Ⅱ级重点保护树种有杜仲、马褂木、金钱松，国家Ⅲ级重点保护树种有厚朴、红椿、重阳木。