林州市境內多山，山地、丘陵占86%。地勢西北高東南低，境內海拔高處是四方垴（海拔1632米），低處位于五龍鎮東北部（海拔200左右），市區海拔306.8米。林州地處太行山東麓，屬于華北地震帶，境內斷層較多，大多屬于正斷層。大的斷層位于林州盆地的西部并延長到北部，長35公里，斷層面傾向東，傾角50-80度，垂直斷距1000米。此外還有4處較大的斷層和眾多小斷層。林州大部廣泛分布著石灰巖，多裂隙、溶洞，致使地表水極易散失。在有隔水層的地方，地下水埋藏較深，開采相當困難。在太行山東麓，地表被強烈侵蝕，多陡崖、峽谷，造成了太行山與林州地面的巨大高差，形成了太行山懸崖峭壁的雄偉畫卷。
林州屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。林州年平均氣溫12.8℃，年降水量672.1mm，年日照時間2251.6小時，平均無霜期192天，（7月）平均溫度25.8℃，（1月）平均溫度-2.5℃。林州大凍土深度42cm，大降雨量1081.0mm/日，大積雪厚度180mm。全年主導風向及頻率分別為南風6.6%，東風6.4%，靜風40.8%；夏季主導風向及頻率分別為南風6.6%，東風5.3%，靜風39.6%。
