泰山区地处泰（安）莱（芜）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）1545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。
山 脉
泰山 古称大山、太山，又称岱宗、东岳，生成于地质史上太古代，距今约三千万年前的新生代中期，泰山轮廓基本形成。泰山主体盘亘于泰安、济南之间。主峰区位于泰山区西北部。主峰天柱峰（玉皇顶），海拔1545米，在中国东部长江以北燕山以南的滨海地区为第一高度。其它的山峰主要有：尧观顶1481米，老平台1217米，鸡冠山873米，卖饭棚1052米，固顶山904米，黄石崖1006米，扇子面828米，黄尖子顶955米，凤凰岭822.7米，月观峰1468米，日观峰1524米，拦住山1048米，中溪山962米，龙泉峰939米，摩天岭793米，傲徕峰997米，龙泉峰939米，调军岭625.9米，凌汉峰483米，虎山231米，金山229米，黄山374米。山体主要由片麻岩、片岩和花岗岩构成，高大雄伟，峰高谷深。主要的沟谷有中溪、西溪、东溪、葛条沟、天津河等大小数十条。气候由暖温带经温带过渡到寒温带。主峰南坡由麓到顶降水由700毫米递增到1000多毫米，植被由落阔叶带
经针叶和落阔叶混交带，过渡到灌木草甸带。植被覆盖率90%，林木覆盖率80%。
1999年10月，泰山区设立泰山地质地貌景观保护区。保护区内有古建筑群20余处，石刻2200多处，著名山峰20多座，崖岭近80座，岩洞近20处，奇石近60块，溪谷10余条，潭池瀑布50余处，泉水60余处，矿藏20多种。其中主要地质地貌景观有虎山、醉心石、经石峪、万笏朝天、中天门、斩云剑、探海石、仙人桥、后石坞、傲徕峰、龙潭瀑布等。这些自然景点不仅有重大的观赏价值而且还有重要的科研价值。
仙人桥 在瞻鲁台西南有一峡谷，上有三块花岗岩巨石因构造运动塌落，悬空衔接抵撑成桥，横架深涧之上。
探海石 在玉皇顶东，为一与地面约成30度角的舌状巨石，前为悬崖，视域开阔，是观日出的绝佳处，为泰山标志景观之一。
龙潭瀑布 泰山西麓长寿桥下，黄西河飞流而下似白练悬空，其下常年受冲凿，形成腹大口小的石穴，形若瓦坛，故名黑龙潭。
后石坞 后石坞危岩峭壁，峰峦峥嵘，谷深清幽，翠柏苍松。保留有第四纪冰川的遗迹。可见冰川擦痕、冰斗、冰川悬谷、冰川角峰等冰川遗迹和冰川地貌。由后石坞向东北至扫帚峪、李家泉一带可见冰碛砾石等。
醉心石 在红门东北的溪边，为“涡柱构造”环节状辉绿玢岩巨石，上刻“醉心”二字。
经石峪 位于斗母宫东北，四面环山，深谷幽奥。刻有《金刚经》部分经文，字径约50厘米，书法遒劲，世称“大字鼻祖”。其石为粒黑云石英闪长岩，结构致密均匀，抗风化能力较强。
蒿里山 位于泰安城区西南部，面积0.2平方公里，海拔193.2米。蒿里山虽位于泰山脚下，其组成岩石却迥然不同。山上出露岩石距今5亿年左右寒武系石灰岩，岩中盛产三叶虫化石。山背面有山洞，山南有玉仙石，山下有帝王封禅时所建的山神祠，现仅存遗址。蒿里山位居城区，为城市天然公园，开发利用前景广阔。1999年10月，泰山区设立蒿里山地质地貌景观保护区。
河 流
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。主要河流有牟汶河、芝田河、柴草河、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。
牟汶河 从邱家店镇渐汶河村东南由石汶河和赢汶河汇入后进入泰山区境内，沿邱家店镇与岱岳区徂徕镇的交界线西南流，南纳陶河，北汇芝田河，至邱家店镇旧县村西南出境。境内河长21公里，流域面积315平方公里，河宽500米。水量大小随季节而变化。1918年，洪峰流量1.03万立方米每秒，是历史上有迹可查的最大流量。1964年临汶水文站实测洪峰流量为6780立方米每秒。一般旱年断流。每立方米水含沙量为汛期一般为6～8千克，多时达24千克；枯水季节水不含沙。
要山洪河道。因源于南天门前，故上游又名“通天河”。河水顺谷而下，至中天门转向西峪，故有“西溪”之称。河水穿越黑龙潭水库，过大众桥后出山，经泰城南流，至南灌庄以西汇入泮汶河，全长12公里。流域面积34平方公里。分水岭至泰山大桥高差1258米，至十二连桥高差1268.4米。最大洪峰流量540立方米每秒。
泮河 《 述征记》称之“北汶”，简称泮河，是史书上所称“五汶”之一。源于泰山西麓桃花峪，至郑家庄出山后，经大河水库，再东南流，至泰城南王庄入泰山区境，先后纳入三里庄河、河、梳河、柴草河等支流，在夏家庄以东芝田河 起源于泰山东侧大津口乡李家泉，沿山谷东南流，注入刘家庄水库。水库以下，顺谷而行，在海洼村东转向南流，渐入泰莱平原。过芝田村沿指挥庄村转向东南，河床由宽浅变为窄深，至邱家店镇纳入卸甲河，南流至居岭庄以东汇入牟汶河，长21公里，流域面积93平方公里。刘家庄水库以下，河宽80～100米，河床淤积沙砾。芝田村以下，河道渐深，河底淤沙，宽50～70米。河道上起刘家庄水库，下至二十里埠村已改河造地，河中心开挖子河，宽20～25米，两岸弃沙成堤，但不规整。邱家店镇以南河段称邱家店河，长6公里。
柴草河 《水经注》称之“石汶”，又名冯家庄河、十里河，是泰山东面的一条小河道。《泰安县志》记载：“石汶河，泰山之东峪也。出登仙台，下会青山诸涧水，东流经汉明堂故址，会明堂泉下流入北汶。”即指此河。起源于泰山顶之东峪，沿谷东下，出谷口东南流，至梨园村有西来的大直沟汇入，下注安家林水库。水库以下，转向南流，经东西谢过城村和汉明堂故址南下，至许家埠以南出境入岱岳区，在东夏村南汇入泮汶河。流域面积49平方公里，河长22公里，境内长19公里，河平均宽15米。
梳洗河 《山海经》称之：“环水”，又名“中溪”。源于泰山前面的中天门下山谷中，河水顺山势而下，经王母池出泰山（王母池临河处原有一梳洗楼，故名梳洗河），经泰城东关，至万家庄以东出境入岱岳区，在邢家寨以东汇入泮汶河。河长约13公里，河底宽15米左右。泰安市第一职业中专学校以上流域面积13平方公里，分水岭至山东科技大学高差800米，至泰安市第一职业中专学校高差824.4米，最大洪峰流量208立方米每秒。
河 又称“西溪”，是岱顶前的主出境入岱岳区，在东店子入牟汶河。河长42公里，流域面积368平方公里。
三里庄河 源于傲徕峰南麓，西南流，至御碑楼村西折向东南流，至泰城南王庄村汇入泮汶河。河道两岸为丘陵区，河槽不规整，季节性河流，枯水期流量很少，甚至干枯，河长6公里，流域面积32平方公里。
麻塔河 是石汶河的西支流。源于泰山主峰以北的牛山口，流向东南，至大津口转向东流，在栗杭村出境，入岱岳区。境内长10公里，沿岸山高谷深，坡降大，山洪急，1964年7月28日，洪峰流量达2000立方米每秒。