Thanh Trù là một trong hai xã ngoại ô của thành phố Vĩnh Yên, vì vậy xã có các đặc điểm về điều kiện tự nhiên giống với thành phố Vĩnh Yên, nằm ở tọa độ 21015’-21022’ độ vĩ Bắc; 105033’-105038’ độ kinh Đông.
Đông giáp xã Quất Lưu, Thanh Lãng;
Tây giáp phường Đồng Tâm và Thị trấn Yên Lạc; Nam giáp thị trấn Yên Lạc, H.Bình Xuyên; Bắc giáp phường Đống Đa.
Xã Thanh Trù là vùng chuyển tiếp giữa đồng bằng và miền núi, nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, khí hậu được chia làm 4 mùa: xuân, hạ, thu, đông.
Mùa xuân và thu là hai mùa chuyển tiếp, khí hậu ôn hoà, mùa hạ nóng và mùa đông lạnh.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm khoảng 240C (trong năm cao nhất vào tháng 6, tháng 7 và tháng 8); chiếm trên 50% lượng mưa cả năm, thường gây ra hiện tượng ngập úng cục bộ ở một số nơi.
- Độ ẩm: Độ ẩm trung bình 82,5%/năm; giữa các tháng trong năm không có sự chênh lệch nhiều, độ ẩm cao vào mùa mưa và thấp vào mùa đông.
Nhìn chung, thời tiết của xã có nhiều thuận lợi cho sản xuất và sinh hoạt của nhân dân. Tuy nhiên, lượng mưa tập trung theo mùa, sương muối, kết hợp với điều kiện địa hình thấp trũng gây ngập úng cục bộ vào mùa mưa ở vùng trũng và khô hạn vào mùa khô ở vùng cao.
Xã có có địa thế trũng, lại gần Đầm Vạc nên mỗi khi mưa lớn nơi đây trở thành rốn nước của thành phố, độ cao từ 9m đến 30m so với mặt nước biển. Địa hình có độ dốc từ Đông Bắc xuống Tây Nam và được chia thành 2 vùng:
Về thủy văn, xã có nhiều hồ ao, trong đó có sông Phan chảy dọc xã cung cấp nguồn nước không chỉ cho sinh hoạt mà còn đáp ứng nhu cầu nước tưới tiêu cho nông nghiệp.