شهرستان سمیرم در منطقه زاگرس قرار گرفته؛ از همین رو بخش زیادی از این شهرستان کوهستانی بوده و بخش زیادی از آن را دشتها و دره های آبرفتی و کوههای صخره ای تشکیل می دهند. مهمترین ارتفاعات این شهرستان عبارتند از ارتفاعات دینار (که قله دنا را با ارتفاع4435 متر در خود جای داده)، رشته کوههای سیاه، مروارید آیینه قبری، گرم آباد، علی جوق و کوه سورمند.
ارتفاع این شهرستان از سطح دریا 2500 متر است و به علت موقعیت کوهستانی دارای آب و هوای کوهستانی با زمستانهای سرد توام با بارندگی فراوان است. میزان بارندگی سالانه در نقاط شمال شهرستان 330 میلیمتر و در جنوب آن 380 میلیمتر است. این شهرستان دارای تابستانهای خشک و معتدل است. پوشش گیاهی سمیرم بسیار متنوع و بیشتر شامل استپ های کوهی و چمنزار و درختان جنگلی است.
در این شهرستان به خاطر بارندگی زیاد، چشمه ها و رودخانه های زیادی از زمین جوشیده است. رودخانه های این منطقه عبارتند از: سولکان، ونک، حنا، سمیرم، ماربر، خرسان که دو رودخانه خرسان و ونک جزء حوزه آبریز رودخانه کارون بوده و آب آنها بدین رودخانه می پیوندد