区境位于华蓥山主峰以南，由华蓥山、铜锣山、明月山3条西北至东南走向的条状山脉和宽谷丘陵交互组成平行岭谷岭谷，北部中山海拔800～1460米。华蓥山、铜锣山、明月山森林覆盖率41%，形成3大天然森林屏障。有“渝北第一峰”之称的玉峰山，海拔696.6米，距重庆市中心23千米，峰峦叠嶂、蔚然深秀、风含玉润、如诗如画，享有“重庆之肺”的赞誉。渝北区水资源丰富，水系发达，河流众多。年平均降水量10亿立方米，地下水出露总量1.1亿立方米。过境主要河流为长江和嘉陵江，长江沿区境东南边境流过。渝北区属亚热带湿润气候区，大陆性季风气候显著，四季分明，冬暖春早，秋短夏长，初夏多雨，无霜期长，湿度大，风力小。常年平均气温17.3℃，平均日照1340小时，平均降雨量1100毫米，平均无霜期319天。

区境内自然资源丰富。植被属亚热带湿润常绿阔叶林区，原生植被破坏后逐渐生成次生林，分布在各山脉。有野生植物97科219属326种，其中可作中草药的123种。用材林木主要有松、柏、杉、栗、青杠、枫、樟、竹、楠和其他阔叶林木。经济林木主要有柑橘、柚、梨、桃、李、苹果、樱桃、枇杷、核桃、桑、茶、银杏、榕树、铁树、桂花、罗汉松、山茶花等。近年来引进不少热带观赏植物品种。有野生脊椎动物87种，其中哺乳动物19种，鳞介类21种，禽类40种，爬行类7种。被列为国家重点保护的动物有锦鸡、鲟鱼、水獭等。水资源除长江、嘉陵江过境水外，尚有御临河常年过境地表水量约17亿立方米。区境内年平均降雨量10亿立方米，地下水流出地表总量约1.1亿立方米。矿产资源主要有煤、天然气、硫铁矿、砂金、含钾凝灰岩、石灰岩、石英砂、陶瓷土、耐火粘土等10余种，均有不同程度开采。