泰山区地处泰莱向斜盆地的西部边缘,北依泰山,南濒大汶河,地势北高南低。北部为泰山风景名胜区,山峦起伏,高山幽谷,海拔200米以上,最高海拔(泰山玉皇顶)1532.7米,为山东省第一高峰。西南部地形起伏,为低山丘陵,海拔170~200米。东南部为大汶河冲积平原,地形较为平坦,海拔130米上下。中部为泰山山前冲洪积平原,海拔200米以上下。
泰山区的山脉主要有泰山、蒿里山等。
泰山区境内河流为雨源型山溪性河流,属黄河流域大汶河水系。均为季节性河流,主要河流有牟汶河、芝田河、柴草河、奈河、泮汶河、三里庄河等。泰山主峰以北大津口一带是石汶河西支流至麻塔河的上源控制面积。 兽类有20余种。野生兽类常见的有刺猬、狐狸、獾、兔、褐鼠、狼、蝙蝠、山狸子、穿山甲等。鸟类有140余种,留鸟占40%,夏候鸟占30%,冬候鸟占3%,旅鸟占27%。昆虫类有1000余种,鱼类有50种,常见的有鲫鱼、鲢鱼、鲤鱼、青鱼、草鱼、黄鲴、鳜鱼、团头鲂、三角鳊、罗非鱼、棒花鱼、鲶鱼、泥鳅、白条、黄鳝、梭鱼、黑鱼等及泰山独有的珍贵鱼种泰山赤鳞鱼等。