溧水区属宁镇扬丘陵山区，地势东南高西北低，低山丘陵面积占总面积72.5%，最高海拔368.5米。区境内浮山、东庐山、回峰山、芳山、秋湖山、无想山拱据东、南，连绵环列，西横山突兀西端，逶迤绵延。
溧水区地处茅山山脉突起绵延区，境内山丘个体低矮离散，地势东高西低，以石臼湖、秦淮河两大水系分水岭为界，北部秦淮河水系地势东南高西北低，南部石臼湖水系地势从东北两个方向由高向低倾斜，汇交于湖区。总地形为丘、岗、土旁、冲犬牙交错，缓丘漫岗绵延，并呈明显的阶梯分布。最高一级阶梯由海拔100米以上的低山组成，第二阶梯由海拔50米以上的低矮平缓丘陵组成，第三阶梯由沟谷地及滨河湖圩区组成。第一、二阶梯是区内林业生产基地，第三阶梯是区内农业生产及经济林果的主要基地。
溧水地区的地层和地质构造，属扬子古陆下扬子台褶带构造单元。区内第四纪沉积层广泛分布，为主要成土母质，除较陡的山坡、山地、河（沟）边坡外，在低山丘陵及其坡麓地带和河（沟）谷，都覆盖着岩层的风化残积物和坡积物发育成的酸性黄壤土，土层厚薄不一，河口三角洲广布洪积土和冲积土，湖积土仅见于石臼湖。
溧水区地域主要分属石臼湖水系和秦淮河水系，仅东南角有2.73平方公里山区地属太湖水系的湖西地区。两大水系的分水岭东西向横贯区境中部。走向：从东方水库上游句容市境内九里岗起，经王家棚到本区境内朱家边，沿袁白公路（高岗地）到区茶场、七里岗、贺家山、官塘、栀子岗、路子山，串秋湖山、双尖山、马鞍山、平安山主峰，经西旺到胭脂岗，到天生桥闸跨天生桥河，到燕子口入小茅山主峰，再经彭家、马上山、翟家、左山、王家店，过罗家进入安徽境，又折而向西北入西横山。分水岭将区境内河流流势分为南北两向，北水流归秦淮河，南水汇入石臼湖。
石臼湖水系
石臼湖湖泊面积207.65平方公里，属溧水区面积90.4平方公里。汇水面积582.54平方公里，水系内主河道全长53.57公里。其中，新桥河全长26.28公里，汇水面积204.36平方公里；云鹤支河全长11.99公里，汇水面积103.17平方公里。此外，在和凤镇龙头水库以南有一片川谷地区，面积16.85平方公里，汇水入固城湖，为石臼湖水系中的一个独立支系。
秦淮河水系
溧水区是秦淮河上游的南源，属秦淮河的主要支流之一。其中，一干河全长为28.3公里，汇水面积172.98平方公里；二干河全长25.60公里，汇水面积227.10平方公里；三干河全长11.19公里，汇水面积64.74平方公里。 溧水区属亚热带季风气候，年平均气温15.5度，年平均日照2146小时，年平均降水1037毫米，春夏秋冬，四季分明，原始植被完好，自然环境优良。空气质量常年达国家二级标准。
2011年，年平均气温16.3度，比常年偏高0.7度；年降水量958.1毫米，比常年偏少一成；年日照2025.1小时，与常年持平。全年雪日14天。其中，范围和影响程度较大降雪天气主要集中在1月份。受北方冷空气与西南暖湿气流持续交汇影响，1月18～21日，出现连续4天降雪，前期地面气温低，积雪和道路结冰现象严重。上半年溧水区干旱较为严重，干旱等级一度达到重旱。期间，1～5月，降水量与常年同期相比，偏少六成，为历史同期最少值。溧水区除中型库蓄水较好外，其他库塘蓄水严重不足，9座小水库到死库水位以下，石臼湖、部分塘坝干涸，石臼湖地区水源严重不足。溧水区3.67万公顷农作物受旱。其中，严重受旱1万公顷，3300多公顷水产养殖受影响，农业经济损失3.83亿元。6月14日入梅，偏早。7月21日出梅，较迟。梅雨期长，为37天（常年平均22天）。入梅后降水呈局地性、过程性、短时降水强度大、雨日多特点。由于阴雨天气多、气温偏低、光照严重不足，造成部分农业设施受损、农田被淹。8月22～31日，持续降水、多雨、低温、少日照天气，对水稻生长发育影响较大，导致水稻总体长势偏弱，病虫害发病较为普遍。9月17～19日，受较强冷空气影响，溧水区大幅降温，水稻遭受寒露风影响，不利灌浆。全年主要气象灾害为寒潮、冰冻、干旱、暴雨、台风、大雾等。与往年相比，2011年气象灾害发生较少，但干旱、暴雨危害程度较重。
