Phổ Yên là thị xã có địa hình đồi thấp và đồng bằng của tỉnh Thái Nguyên, cách trung tâm thành phố Thái Nguyên 26 km về phía Nam và cách Hà Nội 55 km về phía Bắc theo Quốc lộ 3. Thị xã Phổ Yên có có vị trí giáp
ranh như sau: Phía Bắc giáp thành phố Thái Nguyên; Phía Nam giáp thủ đô Hà Nội và tỉnh Bắc Giang; Phía Đông giáp huyện Phú Bình; Phía Tây giáp huyện Đại Từ và tỉnh Vĩnh Phúc.
Thị xã Phổ Yên thuộc vùng gò đồi của tỉnh Thái Nguyên, bao gồm vùngnúi thấp và đồng bằng. Địa hình của huyện thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và chia làm 2 vùng rõ rệt: Vùng phía Đông (hữu ngạn sông Công) có độcao trung bình 8 - 15 m, đây là vùng gò đồi thấp xen kẽ với địa hình bằng. PhíaTây (tả ngạn sông Công) là vùng núi của huyện, địa hình đồi núi là chính, cao nhất là dãy Tạp Giàng 515 m. Độ cao trung bình ở vùng này là 200 - 300 m.
Phổ Yên nằm trong khu vực có tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa với 2mùa rõ rệt: mùa nóng, mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng 10. Mùa lạnh, mưa ít từtháng 11 đến tháng 4 năm sau. Phổ Yên nằm trong khu vực có tính chất khí hậunhiệt đới gió mùa với 2 mùa rõ rệt: mùa nóng, mưa nhiều từ tháng 5 đến tháng10. Mùa lạnh, mưa ít từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình nămkhoảng 270C, tháng 7 là tháng nóng nhất (28,50C), tháng 1 là tháng lạnh nhất(15,60C).Số giờ nắng cả năm là 1.628 giờ, năng lượng bức xạ đạt 115 kcal/cm2.
Mưa phân bố không đồng đều trong năm. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm 91,6% lượng mưa cả năm. Mùa mưa trùng với mùa lũ nên thường gây úng lụt cho vùng thấp của thị xã.
Chế độ thủy văn các sông qua địa phận Phổ Yên phụ thuộc chủ yếu vào chế độ mưa và khả năng điều tiết của lưu vực sông Công và sông Cầu.Mùa lũ trên 2 hệ thống sông Công và sông Cầu thường trùng vào mùamưa (từ tháng 5 đến tháng 10), xuất hiện nhiều nhất vào các tháng 6,7,8,9. Bìnhquân mỗi năm có từ 1,5 - 2 trận lũ, năm nhiều nhất có 4 trận lũ xuất hiện. Mùacạn ở 2 hệ thống sông kéo dài khoảng 4 tháng (từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau). Lượng nước trên các sông này bình quân chỉ đạt 1,5 - 2% tổng lượng nước cảnăm. Đây là yếu tố bất lợi cho sản xuất và sinh hoạt trên địa bàn
Theo kết quả điều tra và tổng hợp trên bản đồ thổ nhưỡng tỷ lệ 1/25.000, thị xã Phổ Yên có 10 loại đất chính. Trong đó có các loại đất phù sa, bạc màu, dốc tụ và đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa thường có độ dốc thấp, tầng đất dày> 100 cm, rất thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp, nhưng loại đất này chỉ chiếm35% diện tích tự nhiên toàn thị xã. Đất đỏ vàng trên phiến thạch sét, đất vàng nhạt trên đá cát, đất nâu vàng trên phù sa cổ có diện tích chiếm 61,6% diện tíchtoàn thị xã, hầu hết có độ dốc >250.
Tổng diện tích đất tự nhiên của huyện là 25.888,72 ha. Diện tích đất nông nghiệp là 19.326,58 ha (năm 2017), chiếm 74,65% diện tích đất tự nhiên của thị xã. Đất phi nông nghiệp chiếm 6.539,46 ha, chiếm 25,26% diện tích đất tự nhiên.
Nhìn chung, diện tích đất nông nghiệp có xu hướng ngày càng giảm nên đã gây rasức ép phải tăng cường thâm canh trong sản xuất nông nghiệp, phát triển các ngành nghề phụ trong đó có các nghề tiểu thủ công nghiệp, nhưng nó cũng là một cơ hội cho thị xã phát triển kinh tế, văn hóa và dịch vụ.
Theo số liệu tổng kiểm kê năm 2017, diện tích rừng của thị xã là 6.668,63 ha (chiếm 25,76% diện tích tự nhiên), trong đó rừng sản xuất là 4.274 ha, rừng phòng hộ là 2.394,64 ha. Tập đoàn cây rừng chủ yếu là bạch đàn, mỡ, bồ đề, keo, tre, mai, ... (tập đoàn cây nhóm 4 - 6). Lượng tăng trưởng đạt 5,5 - 6,5 m3/ha/năm.
Phổ Yên là thị xã chuyển tiếp giữa vùng núi và vùng đồng bằng nên diệntích đất lâm nghiệp không lớn và tập trung chủ yếu ở các đơn vị cấp xã phíaTây của thị xã. Những xã có thảm rừng lớn là Phúc Tân (2.214,82 ha), PhúcThuận (2.847,87 ha), Thành Công (1.020,57 ha), Minh Đức (445,83ha), Vạn Phái (62,42 ha).