楚雄彝族自治州的地理环境独特，地势呈现出由西北向东南的倾斜趋势，横跨175公里，纵距247.5公里。这里的地貌以山地为主，占比高达90%以上，山峦叠嶂，峰峦环抱，谷地错落，河流密布，被誉为"九分山水一分坝"。乌蒙山、哀牢山和百草岭三座山脉如同鼎足般耸立，金沙江和元江两大水系则分别从州境中部分道扬镳，形成独特的地理景观。
州境内的最高点位于大姚县白草岭主峰帽台山，海拔达到3657米，而最低点则在双柏县南端的三江口，海拔只有556米。楚雄彝族自治州首府鹿城海拔1773米，处于州内相对较低的坝区。在这片群山之中，散布着104个面积超过1平方公里的盆地，为州内不同区域的发展提供了丰富的地理条件。
气候方面，楚雄州属于亚热带季风气候，但由于地形复杂，气候垂直变化显著。冬季短暂，夏季也不炎热，春秋季较长，温差适中，冬季无严寒，夏季无酷暑，雨热同期。降水量偏少，集中在7月至10月，年均降水量在800至1000毫米之间。全州日照充足，西北部的永仁县日照时数最多，可达2823小时，蒸发量较高，而禄丰县日照最少，为2198小时，南华县和双柏县蒸发量相对较小。
元谋坝子和金沙江河谷地区全年无霜期，其他地区无霜期通常在221天到275天之间。总体来看，楚雄彝族自治州的地理环境多样，气候温和，为不同类型的生态系统和人类活动提供了良好的条件。
楚雄彝族自治州地处云南省中部，跨东经100°43′～102°30′，北纬24°13′～26°30′之间，属云贵高原西部，滇中高原的主体部位。东靠昆明市，西接大理白族自治州，南连普洱市和玉溪市，北临四川省攀枝花市和凉山彝族自治州，西北隔金沙江与丽江市相望。辖1县级市（楚雄市）9县（禄丰县、武定县、元谋县、牟定县、双柏县、南华县、永仁县、大姚县和姚安县）。州人民政府驻楚雄市，距昆明市160千米。