沁水地貌以山地、丘陵為主。其中中山地區占40%，低山丘陵地區占50%，河谷平川地區占10%。大部分山脈屬於太嶽和中條山。海拔1100米以上的山脈有歷山、蘆臺山、大尖山、白雲、白堿山、仙翁、沈約、牛頭、於君和荒山。有吳棟嶺、馬勞嶺、界牌嶺、葉明珠嶺、虞丘嶺、關門嶺、情侶嶺、鐘山嶺、香山嶺、佛廟嶺等。稱為“十山”“十嶺”。東武陵和老馬嶺的海拔都在1300米以上。境內有三條河流:沁河、仙河、端石河。
沁河是黃河的壹級支流。發源於山西省平遙縣黑城村，河長485公裏，流域面積13532平方公裏。
縣河，沁水河的支流，是沁水縣最大的河流。它由兩條支流梅河和星河匯合而成。兩河在縣城東南匯合後，經過城關、鄭莊鄉等4個鎮，在河頭村匯入沁河。全長60.7公裏，流域面積168.3平方公裏。
黃河支流沁河的支流端石河。上遊是山西沁水縣的石莊河和雲首河，在古賢鄉匯合後稱為段石河。河水流經段市鎮東山，匯入西河，在段市鎮西邊匯入沁河。包括上遊在內，流經東峪、石莊、十裏古縣、範莊、胡迪、段市等7個鄉鎮，全長47公裏，流域面積788平方公裏。壹般流速為每秒2.5立方米。沁水縣有野生植物400多種，隸屬於45科。國家重點保護的植物種類有紅豆杉、連香樹、紫薇等11種。全縣野生動物220余種，其中虎、豹、金雕、獼猴、大鯢等國家重點保護珍稀動物26種。
(以上數據截至2011)