张家川回族自治县位于甘肃省东南部， 属天水市辖县，东接陕西省陇县，南邻清水县，西连秦安县，北毗华亭、庄浪县。西距省会兰州市378公里，东经陕西省陇县至西安市388公里。天水市东北，陇山西麓，属六盘地槽与陇西陆台两大地质构造单位的过渡地带，为六盘山经向构造与秦岭纬向构造接壤处，地理坐标为东经105°54′至106°35′，北纬34°44′至35°11′之间，东西长62公里，南北宽48公里，总面积1311.8平方公里(2010年)。

张家川地势由东北向西南倾斜。以山地为主，最高点为秦家塬石庙梁，最低点为龙山镇马河村，海拔在1486米~2659.4米之间。东北部陇山巍峨，峻岭重叠;西南部山峦起伏，沟壑纵横。源于陇山纵贯全境的六条山梁，宛如手指，自东北向西南伸展。境内地貌复杂，东北部为陇山石质、土石山地，中东部为红土与红砂岩粘土相间山地，中西部为黄土梁峁沟壑山地。张家川地貌大体上由梁峁、沟壑、川台、河谷四部分形成。

张家川深居内陆腹地，地处东南、西南季风交互影响的边缘地带，属温带大陆性季风气候。由于地形的复杂多样性，形成了明显的地域型立体小气候环境，中西部为温和半干旱区、温凉半干旱区和温寒半干旱区，气候温和，光照充足，无霜期较长，但雨量较少;东北部为温寒半湿润区和温寒湿润区，气候偏冷，光照较差，无霜期较短，雨量充沛。张家川气候差异较大，年平均气温7.5℃，无霜期163天左右，全年日照时数2044小时，年平均降水量600毫米。其特点是:夏短而不热，冬长而严寒，雨热同季，夏润冬燥，春暖迟，秋凉早，昼夜温差大，夏季无酷暑。

张家川境内有大小河流7条，总长度234.48公里，总流域面积1311.8平方公里(2010年)，自东北部至西南部，可分为千河、长沟河、牛头河和葫芦河四大水系，均属渭河北岸支流。7条河流均发源于陇山的涓涓细流，按照自然地势，由东北向西南流去。

截至2010年，张家川境内水资源量为2.1亿立方米，地表水资源较为丰富，为1.7亿立方米，境内河溪沟岔泉水分布比较广泛，散布着大小泉池500多眼，年泉出露总量为150万立方米。

截至2010年，张家川境内有林地59.14万亩，森林覆盖率20.8﹪，占张家川面积的30﹪。木材总蓄积量达120.47万立方米。生长着杨、椴、松、桦、栎等128种木本植物。

截至2010年，张家川林区有金钱豹、毛冠鹿、林麝、獐子、石貂、鬣羚、青羊、水獭、黄鼬、红腹锦鸡等珍禽异兽57种，其中10余种为国家二、三级保护动物。境内中药材品种繁多，有38科、154种，主要有沙参、党参、大黄、紫苑、独活、升麻、甘草、蒲公英、猪苓、寄生、柴胡、冬花等植物药材以及少量的鹿茸、麝香、牛黄等名贵药材。经济林木以苹果、梨、核桃、山杏为主，尤以红星、红冠、红元帅品种质量上乘。林区有野生植物600余种。