楚雄彝族自治州位于云南高原的腹地，处于滇西横断山地和滇池湖盆凹陷之间，山峦重叠，河溪纵横，谷地错落，整个地势大致由西北向东南倾斜。看山，则东倚乌蒙，南靠哀牢，北矗百草岭；看水，则南盘礼舍江，北走金沙江。"三山鼎立，二水分流"是楚雄州基本的地理态势。

　　发源于贵州的乌蒙山脉，以其磅礴的气势，从滇东北分成三列南北走向的山地伸入州境，盘桓于武定、禄丰和元谋的部分地区，最高点白龙会，海拔2956米。乌蒙山是由断层抬升而成的年轻山地。山体石岩出露广泛，岩溶地貌特征突出，山势高耸险峻，山的上部多覆盖着坚硬的玄武岩层，但山的顶部没有明显尖削的山峰，在延续的山脊上往往还有一些比较宽平的地段，甚至有洼地和小湖泊分布，自然景色雄伟壮丽。当年中国工农红军长征时，曾在这里与国民党重兵周旋，而后一举巧渡金沙江，挥师北上。毛泽东于此留下了"鸟蒙磅礴走泥丸"、"金沙水拍云崖暖"的诗句。

　　逶迤绵延于楚雄州南部的哀牢山，是整个哀牢山山脉的上段和中段。南华县境内的天子庙山、脑头山、大风丫口、打雀山、大中山、黄草岭；楚雄市境内的紫溪山、达苴山、紫峨山、三尖山、黑牛山、大光、大山心；双柏县境内的三家厂山、老能山、大梁山、老黑山、白竹山等，都是哀牢山的支脉。双柏县境内的大梁山，海拔2946米，是哀牢山脉的最高峰。这一道道山峦连接起来，就像是一道巨大的屏风，矗立在楚雄州的南部，既挡住了由北方南下的冷空气，使冷空气在越山后产生焚风效应而变暖变干，又挡住了南印度洋的暖湿气流，因而使得州内大部分地区气候暖而干爽，雨量偏少，干旱年成较多。

　　位于州境内西北部的百草岭，是云岭余脉和川西大雪山余脉组成的又一山脉，纵贯永仁、大姚、姚安三县，绵延百里。永仁县境内的大雪山、大村梁子、茶尖山、方山、龙潭营；大姚县境内的小百草岭、踏地松梁子、顶栋山、二十四弯梁子、县华山；姚安县境内的老官山、烧香嘴于、营盘山、张家山、三尖山等等，都是百草岭这一山系的支脉。海拔3657米的帽台山高耸入云，是百草岭的最高峰，也是全州的最高峰，呈高屋建瓴之势，俯视全境。

　　"南盘礼社，北走金沙"，概括了楚雄州水流分布情况。全州的河流分属于金沙江、红河两大水系，中部山脉恰好就是两大水系的分水岭。

　　蜿蜒曲折于楚雄州南部的礼舍江，是红河的上游。礼舍江发源于大理州巍山县的茅草哨，从南华县鼠街附近入楚雄州，流经南华、楚雄和双柏，在双柏县马房附近与绿汁江交汇后流入元江出境(元江是红河的中流)，其交汇处的三江口，海拔556米，为全州最低处。礼舍江在楚雄州境内的一段，全长约160多公里，一直穿行在哀牢山脉之中，右岸为山谷所限，支流短而少；左岸略为开阔，支流较多且长，为不对称河系。楚雄州境内的一街河、马龙河  白依河、绿汁江、星宿江、西河、沙甸河等，都是礼舍江的主要支流。这一水系的河流，由于坡度和落差大，水流湍急，所流经的区域，多为红壤和紫色土地带，河水在两季含有大量泥沙呈褐红色，所以到了下流便积为红河。礼舍江流域多为山区，气候冷凉，山高林密，有大面积的云杉、铁杉等高山针叶林以及各种药材，水利资源、植物资源、动物资源和森林资源都很丰富。

　　金沙江经大理州宾川县力湾坪进入楚雄州境。沿大姚北部边界、永仁西北部边界，入四川省攀枝花市，然后又掉头南下，沿水仁县东部边界进入元谋，横穿元谋北境，经武定县西北，浩浩荡荡东流出境。在境内(包括沿边界)长约137公里，整个流域面积占全州总面积的三分之二。楚雄州北部地区的鱼泡江、万马河、蜻蛉河、龙川江、勐果河、羊蹄江等，都是金沙江右岸的主要支流。这些支流经过的区域，大多是河谷宽缓的高山坝子和谷地，加之气候温和，是楚雄州的主要农业区。特别是龙川江，流经南华、楚雄、牟定、禄丰、元谋等5县(市)，两岸耕地集中，水利资源开发利用程度较高。

　　"三山鼎立，二水分流"，使得全州境内群山起伏，河溪纵横，从海拔556米的三江口，到海拔3657米的百草岭主峰帽台山，高差3100米。全州地区性的小气候差异很大，从亚热带到寒温带不同类型的气候都有，气候多样性带来了物产分布的丰富。民间有"一山分四季，隔里不同天"的说法。阳春三月，平坝里桃红柳绿，春意浓浓，金沙江畔的元谋盆地却已进入绿肥红瘦的初夏；而高耸入云的百草岭上，却是寒风凛冽，残雪犹存。由于气候垂直变化大，植物的垂直分布十分明显，加上峻峭的高山、奔腾的江河，呈现出一派令人目不暇接的立体多姿的自然景观。