Địa hình huyện Tuần Giáo hiểm trở và đa dạng. Khu vực núi non của huyện chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, sườn vách sừng sững như toà thành thiên nhiên với 70% diện tích là các dãy núi cao từ 800 m trở lên, còn lại là các dãy có độ cao 500 - 700 m, độ dốc trung bình 120-200. Dãy Pú Huổi Luông (xã Nà Sáy) cao 2.179m so với mặt nước biển, dãy Pơ Mu (xã Tênh Phông) cao 1.848 m. Núi non của Tuần Giáo đã ghi nhiều dấu ấn của những trang sử hào hùng: Pú Nhung là căn cứ chống thực dân Pháp với tên tuổi của anh hùng lực lượng vũ trang Vừ A Dính, Sùng Phái Sinh, hang Thẩm Púa (xã Chiềng Sinh) là đại bản doanh của Bộ Chỉ huy chiến dịch Điện Biên Phủ trước khi chuyển vào xã Mường Phăng (huyện Điện Biên).

         Vùng thung lũng hẹp Tuần Giáo chiếm 10% diện tích tự nhiên, địa hình bị chia cắt, nằm rải rác ở các xã nhưng tập trung vào 4 khu vực chính: Khu Ba ẳng, khu Búng Lao - Chiềng Sinh, khu Ba Quài - thị trấn, khu Phình Sáng - Pú Nhung. Đất ở đây màu mỡ, thích hợp cho cây trồng và vật nuôi. Đặc biệt vùng Phình Sáng - Pú Nhung, Ba ẳng và Toả Tình có khả năng thích ứng với sự sinh trưởng của hoa màu (ngô, đậu tương) và phát triển cây công nghiệp (chè, cà phê).

Vùng đồi thoải chiếm 25 - 27% diện tích toàn huyện.
Đất lâm nghiệp Tuần Giáo có 55.126,65 ha (trong đó đất có rừng tự nhiên phòng hộ 51.186,17ha; đất có rừng trồng phòng hộ 3.940,48 ha). Trong rừng có nhiều gỗ quí như (nghiến, lát, dổi, pơ mu), nhiều dược liệu, cây có dầu, cây lấy nhựa, cây ăn quả và động vật quí hiếm. Đất rừng ở đây thích hợp với nhiều loại cây công nghiệp có giá trị cao (quế, hồi, trẩu, thảo quả, bông, lạc). Nhiều đồi cỏ, bãi bằng thích hợp cho phát triển chăn nuôi đại gia súc( trâu, bò, ngựa, dê) góp phần đáp ứng nhu cầu về thực phẩm và sức kéo của địa phương. Nghề trồng rừng, khai thác lâm sản từng bước được thực hiện có hiệu quả.

        Hệ thống sông suối của Tuần Giáo khá dầy đặc nhưng lưu lượng và khối lượng dòng chảy không lớn. Suối Tông Ma bắt nguồn từ đèo Pha Đin (xã Toả Tình) qua Quài Nưa nhập thành suối Nậm Mu (xã Mùn Chung) hoà vào suối Nậm Mùn đổ ra sông Nậm Mức giáp Mường Chà là một trong những nhánh hữu ngạn sông Đà ở phía đông bắc Tuần Giáo. Ba con suối: bản Phủ (xã Quài Cang), Toả Tình và Tênh Phông qua Quài Tở gặp nhau ở thị trấn cùng với suối Nậm Pùa, Nậm Cô hình thành một trong những nhánh chính của thượng nguồn sông Mã. Sông suối Tuần Giáo đã tưới tiêu cho hàng ngàn héc ta lúa, màu; phục vụ sinh hoạt, là nguồn thuỷ năng dồi dào với các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ ở thị trấn Tuần Giáo, Ta Cơn, Nậm Mức (Mường Mùn), Nậm Pay (Mùn Chung)...

Khí hậu Tuần Giáo thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa miền Bắc Việt Nam. Mùa hè chịu ảnh hưởng của gió phơn tây nam (gió Lào) khô và nóng, không có bão lớn. Hàng năm có hai mùa rõ rệt: Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau, nhiệt độ trung bình 18,20c, cao nhất là 36-370c, thấp nhất xuống đến 00c. Độ ẩm không khí trung bình trong năm 87%, độ ẩm thấp nhất trong năm 22%, lượng bốc hơi cả năm 514 mm. Lượng mưa phân phối không đều trong năm, mùa mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng 7. Lượng mưa trung bình cả năm là 1.805 mm, có ngày lượng mưa lớn nhất 272 mm.