万州区地处四川盆地东缘、重庆市东北部、长江三峡库区腹心，位于北纬30°23′50″～31°0′18″、东经107°52′22″～108°53′52″之间，幅员3456.41平方千米。东与云阳县相连，西与忠县、梁平区毗邻，南与石柱土家族自治县和湖北省利川市接壤，北与开州区和四川省开江县交界。东西广97.25千米，南北袤67.25千米，城区面积110平方千米，直线距离重庆市228千米。区内山丘起伏，最高点位于普子乡七曜村沙坪峰，海拔1762米；最低点位于黄柏乡境内，随长江蓄水水位变化而变化。低山、丘陵面积约占四分之一，低中山和山间平地面积约占四分之一，极少平坝和台地，且零星散布。

境内河流纵横，河流、溪涧切割深，落差大，高低悬殊，呈枝状分布，均属长江水系。长江自西南石柱土家族自治县、忠县交界的长坪乡石槽溪（海拔118米）入境，向东北横贯腹地，经黄柏乡白水滩（海拔约106米）流入云阳县，流程82.6千米。境内有流域面积在2平方千米及以上的大小河流及山洪沟共计249条，纳入河道名录登记的河流有102条（其中流域面积大于50平方千米的河流28条，流域面积小于50平方千米的河流74条）。区内河流直接注入长江的主要河流有7条，分别是苎溪河、瀼渡河、石桥河、新田河、五桥河、大周溪、杨河溪；区内河流流经其他区县后再注入长江的主要河流有2条，分别是九龙溪、培文河；区内过境主要河流4条，分别是长江、磨刀溪、普里河、泥溪河。

境内出露地层的地质年代多见于中生代三叠纪和侏罗纪，形成时间距今2.3亿～1.37亿年，以侏罗纪分布最广，三叠纪次之，局部地方有距今2.85亿～2.3亿年的古生代二叠纪地层，也有距今250万年的新生代第四纪地层，境内地质构造线，属新华夏系第三巨型隆起带武陵山褶皱带西缘与大巴山弧形褶皱带控制的四川菱形构造盆地的北东方向延伸出境外，消失于七曜山背斜构造的北西侧，形成向突向北西的万县弧形构造线。

境内属亚热带季风湿润带，气候四季分明，冬暖、多雾；夏热，多伏旱；春早，气温回升快而不稳定，秋长，阴雨绵绵，以及日照充足，雨量充沛，天气温和，无霜期长，霜雪稀少。

2024年，万州区平均气温18.7℃，较常年（16.5℃）显著偏高2.2℃；降水量957.4毫米，较常年（1183.1毫米）偏少225.7毫米，偏少19.1%；日照时数1464.6小时，较常年（1168.1小时）偏多296.5小时，偏多25.4%。 汛期（5～9月）降水量为514.5毫米，较常年（823.9毫米）偏少38%。全年气候状况总体偏差，旱重于涝，出现1961年以来最长高温天气，灾害性天气气候事件总体较常年偏重。