歙县境内早元古代期，为沉积数千米的浅海碎屑岩地槽区。吕梁地质运动后，地壳褶皱隆起，形成走向北东的褶皱基底构造层。印支期、燕山期境内造山运动强烈，伴随有大量酸性、中性岩浆活动，形成黄山、许村、徽城、佛岭等地花岗岩体；周家村以北，杞梓里、三阳以南，以及仰坦至小洲的安山岩、流纹岩等地火成岩体。第四系新构造运动中，地层发生强烈倾升，河流改道，形成一至二级和三至四级阶梯，渐江、丰乐河、布射河、富资河、扬之河、练江两岸分布有第四系红色粘土，近代河流冲积物分布于河谷两岸阶地和河漫滩。境内古生界、中生界、新生界各系均有地层形成，特点是南部地层古老，北部较为年轻。境内地层比较齐全，岩石种类繁多，岩性差异很大，地貌景观各异。
西北有黄山耸立，东至东南被天目山、白际山屏蔽，位于皖浙边境的清凉峰海拔1787.4米，为天目山主峰，海拔高度在安徽省内仅次于黄山。 地处皖南山区，属亚热带季风气候，年均气温16.4℃，年降水量1477毫米。
气温 歙县在1960—1987年的28年中，年平均气温为16.3℃，区域分配沿河谷、平贩一带高，南、北山区低，最冷为1月，平均气温3.8℃，极端最低气温为-12.7℃（出现于1970年1月15日）；最热为7月，平均气温为27.9℃，极端最高气温为40.8℃（出现于1978年9月3日）。日平均气温稳定通过大于等于10℃,80%保证率的初日在3月15日，终日在11月15日，持续236天，积温为5174.7℃。
地温 歙县多年平均地面温度为18.8℃，地中（10厘米深处）温度为17.8℃，地面极端最低温度为-16.3℃(1977年)，极端最高温度为70.9℃(1978年)。
降水 歙县多年平均降水日数154.3天，降水量为1536.2毫米，属皖南多雨区。其中，处于作物生长的暖季 (4—10月）降水量为1131.7毫米，占全年降水量的73.6%,冷季（11月—次年3月），降水量只占全年降水量的26.4%。年最多降水量2264.4毫米(1983年），最少1159.2毫米（1963年），极差1105.2毫米；年平均相对温度为78%,各月变幅较小，在75—81%之间，4—7月最高，达79—81%,12月至次年2月最低，仅75—76%；年均蒸发量1270.0毫米，年干燥度为0.71。
日照 歙县日照时数，按30度南计算，可照时数为4426.3小时（闰年4437.4小时），实际日照时数为1928.3小时，约占可照时数的44%。7—10月日照时数占可照时数的54%，最多日照时数为8月，平均占可照时数的59.8%，个别年份达80.7%(1967年），最少为3月，占可照时数的32%,1960年3月只占17%；全年太阳辐射总量113.1千卡/平方厘米。其中，4—10月，太阳辐射量为79.7千卡/平方厘米，占全年太阳辐射总量的71%，月辐射量最大值出现在7月，为14.4千卡/平方厘米，最小值出现在12月，为5.9千卡/平方厘米。
霜雪 平均初霜期11月10日，最早初霜日10月24日（1968年）。平均终霜期3月23日，最迟终霜日4月14日（1970年）。多年平均无霜期230.9天，最长无霜期253天(1972年），最短无霜期208天（1960年）。从地区差异看，城区附近无霜期长，南北山区短。平均年度积雪9.9天，最长27天（1977年）。1971年无积雪，终雪期一般年份在清明前后，1987年4月14日下雪，为近28年来的最迟终雪期。 歙县境内地表水主要是河水，也有部分山峰顶部的天池、天湖水；地下水有孔隙水、岩溶水和裂隙水。歙县水资源总量为22.13亿立方米，均由大气降水补给，其水文特性深受地形、气候影响。山地、谷地与其过渡地带之间，年降雨量的差值分别为250毫米和200毫米；而丰水、枯水与其过渡季节之间，季降雨量的差值则分别为350毫米和220毫米。降雨量的地域、季节分配，差异显著。歙县地表、地下水，属山泉、矿泉水，已发现含锶偏硅酸等多种优质矿泉水。
歙县河流，按地形和流向，可分发源于西北部黄山山脉、东北部天目山脉、东南部白际山脉三部分。其中，除富溪乡滔湖山的湖水流入香溪，属青弋江水系外，其余均汇流新安江，统属新安江水系。 新安江自徽州区入境，纳练江、昌源河等支流，曲折东南流，于街口流入千岛湖。
