楚雄地势西北高，东南低，从西北向东南倾斜，呈倾斜葫芦形，最高山峰为西舍路哀牢山脉的小越坟山，海拔2916米，最低点在礼社江与彝家拉河、石羊交汇处，海拔691米，鹿城中心海拔1773米。楚雄山脉皆属哀牢山系东麓支干余脉，基本呈西北、东南走向。
楚雄境内有红河、金沙江两大水系。红河水系穿越市境西南部的礼社江，为元江上游，发源于大理州巍山县，经南华县入境，其支流有马龙河、三街河、白衣河、五街河、邑舍河、碧鸡河、自雄河。金沙江水系以龙川江为楚雄市坝区主要河流，发源于南华天申堂，自西向东流，于吕合入境，经牟定、元谋县入金沙江。主要支流有紫甸河、西静河、河前河、寨子小河、青龙河、苍岭小河。红河水系在境内的径流面积为3228平方公里，占全市总面积的76%；金沙江水系在境内的径流面积1092平方公里，占24%。全市年均降水量39.6亿立方米，径流量9.3亿立方米,地下水量3.2亿立方米。2002年年降水量1213.5毫米。境内水能理论蕴藏量24.4万千瓦，可开发量为23.8万千瓦。鹿城花果山矿泉水和石涧矿泉水含游离二氧化碳、偏硅酸等化合物，有锶、锂、锌等21种微量元素，日可采量250吨。
土地以紫色土、水稻土、红壤和黄棕壤为主，紫色土主要分布于海拔1900～2300米的东部坝区，占土地面积的32.4%；水稻土占耕地面积的62%；红壤占26.1%;黄棕壤分布于海拔2300米以上的冷凉地带,土层较厚,占8%。
境内矿产资源储量较多的有煤、油页岩、金、铜、铅、锌、石灰石。褐煤储量8870万吨，无烟煤储量1993万吨。油页岩储量122.4万吨，铅锌矿石储量87万吨。石灰石分布广，此外还有楚石（大理石）、石棉等。楚雄境内常见木本植物有40多种，草本植物20多种，牛肝菌、松茸等食用菌30多种，野生中草药640多种，较为名贵的有野生三七、天麻、茯苓、五味子、小棕包等56种。已发现的野生动物有519种，其中两栖类29种，爬行类56种，鸟类329种，兽类105种，属国家保护的野生动物有蜂猴、白鹇等64种。位于市境西南部的国家级自然保护区哀牢山，森林茂密，人迹罕至，有名贵植物1480多种，鸟兽460种，两栖爬行动物46种，国家重点保护的珍稀动物26种，被列为联合国“人与生物圈”森林生态系统的定位观察站，是森林生态研究基地之一。
旅游资源丰富，自然人文景观底蕴厚实，有紫溪山国家级森林公园、中国彝族十月太阳历文化园、峨碌公园、灵秀湖、楚雄博物馆等旅游区（度假区）。明清时期曾是滇西佛教圣地，现为国家级森林公园、省级自然保护区和风景名胜区的紫溪山距市区15公里，林木参天、古藤缠树，草坪如茵，有元代古杏、古茶、滇藏木莲、猴欢喜、巴豆藤等百年以上的古树名木，有粗榧、三尖杉、香果树等国家三级以上保护植物，已发现的植物有1360多种，动物107种，被誉为滇中生物多样性基因库。其景点“紫溪园”山水秀美，与山下彝寨，苗寨田园风光相映成趣；“亮水塘”烟波浩渺，林海莽莽，马樱簇涌；“紫顶寺”庙宇辉煌；响水箐飞瀑如帘，香果林树婆娑；“寂光寺”寺庙遗迹深藏林间；寨林古道有溈仰宗法师舍利塔；“紫溪彝寨”葫芦笙、羊皮鼓伴篝火对歌，赏尽《梅葛》古韵。彝族十月太阳历文化园，有“一海一瀑四广场、六寨八区一条龙”景观；另有城南万家坝出土的春秋战国时期铜鼓。距今800年的大理国文物护法明公德运碑与明代文庙、雁塔、西灵宫、兴隆寺，苍岭发掘的中生代恐龙足印化石群，云龙古州南安民居构成蕴韵浑厚的人文景观。
楚雄旅游资源以“恐龙之乡”、“腊玛古猿”、“元谋猿人”、元谋土林、狮山牡丹、紫溪山茶、彝族十月太阳历、彝族风情和冬暖夏凉的宜人气候而著称。踏上楚雄这块神奇的土地，在禄丰恐龙山，你会看见全球保存数量最多、最完整的恐龙化石，你甚至会有一种站在恐龙骨架上的感觉；在元谋，你不仅可以目睹距今170万年以前元谋猿人的生活环境，而且还可以通过土林发现地表的苍桑之变及其根源。
境内野生动植物资源种类繁多。可供采集的中草药材有645种。野生食用菌64种, 其中可出口创汇的松茸,年产达30吨,远销日本。树种有47科7亚科77属300余种, 其中有经济价值的38科169种。珍稀树木有:山茶、桂花、枫树、古桥异树、孔雀杉、 元江栲、红豆树、雕翎山白栗和云南松。雕翎山的植被有6个群系11个群落,列为云 南省自然保护点,是省级植物科学研究基地之一。境内有野生动物4类28目77科269 种,其中,两栖类有2目6科13种;爬行类有3目9科30种;兽类有8目22科49种; 鸟类有15目40科177种。生长在罗川、旧庄森林中的绿孔雀,是国家一级保护动物, 分布在部分乡镇的鸳鸯、白鹇、狲猴、云豹、灵猫、穿山甲、蟒等36种动物,是国家二级保护动物。