县内属低纬度中亚热带季风气候区，雨量充沛。累年平均降雨量1753.3毫米，最高年份达2400毫米。气候湿润，累年平均气温18.9℃，年平均湿度为82%，年无霜期317天，年平均日照1382小时，年积温5906.0℃。
县内以山著称，开门见山，出门行山。五岭之一的萌渚岭余脉绵延全县大部分区域，构成崇山峻岭，溪谷纵横，山地与丘陵交错的环境。地质古老，地层稳定，整个地势由北向南和由东向西倾斜。土层发育深厚，以红壤土、黄壤土为主，海拔千米以上高山49座，其中周边27座，县内22座；最高峰是东北边缘的大雾山，海拔1659.3米；最低处是南部边缘的水下桥河床，海拔117米。地形南北长东西窄，两头大中间小，状似哑铃，南北袤74公里，东西广33公里。
县内溪河纵横，河床落差大，水流湍急，有大小河流194条，径流集雨面积1583.98平方公里，其中集雨面积超过100平方公里的河流有9条，总长274公里。呈放射状流向四方，分属珠江的西江、北江水系和长江的湘江水系。太保水（旧称连山河）东流出鹿鸣关注入北江支流三江河，小三江水南流注入绥江上游中洲河，上草水和全县最大的河流——大滩河，西流注入西江支流大宁河，禾洞水向西北流出白石关注入湘江支流沱江。 连山地质古老，地层稳定，水流四方，地形复杂。四周崇山峻岭环抱，整个地势从北向南、自东向西倾斜，山谷台地纵横交错，冈峦起伏连绵成系。有不少海拔1000米以上的山峰，最高峰是东北部边缘的大雾山，海拔1659.3米。最低点是南部加田河与怀集交界的水下桥河床，海拔117米，地质岩性以花岗岩为主体，其次有砂岩、页岩等变质岩，就其分布而言，南部的小三江、加田、上帅等乡镇以花岗岩为主；北部地区亦以花岗岩分布最广。
县内地带性土壤绝大部分是由花岗岩风化而成的山地红壤和山地黄壤。黄壤主要分布在海拔700米以上的中低山区，占山地面积6%；红壤遍布全县700米以下的低山丘陵，占山地面积64.4%。 大雾山：连山县最高的大雾山，海拔达1659.3米，被称为“广东岭南屋脊”。
马头山：位于县小三江镇（壮族聚居的乡镇）东南，山上奇石嶙峋，突兀千寻，仿佛像奔腾的骏马，有古城堡遗址及清代咸丰十一攫的摩崖石刻，三米见方的石刻记录了明末与清代康熙二十四年及咸丰四年、八年、九年村民避乱于山上与贼寇作战，屡战屡胜的事实。
金鸡山：位于县西南端的上帅镇内，海拔1469.4米，距县城约60公里，省道263线从其附近经过。
大旭山：位于县城西南12.8公里处的三水镇。 连山的气候属中亚热带季风型气候，气候温和，雨量充沛，四季分明，昼夜温差大，即使炎夏时，夜晚仍清爽凉快，严冬寒潮入侵的时间不长。昼夜温差较大，三、五年能见到一次下雪。
