Địa hình của huyện thuộc khối nâng kiến tạo mạnh và rất phức tạp, nằm giữa hai dãy núi lớn: Hồng Liên Sơn ở phía Tây Bắc và dãy Con Voi ở phía Đơng Nam. Phần lớn địa hình là đồi núi cao xen lẫn các thung lũng, bồn địa nhỏ hẹp và hệ thống khe suối đan xen, phân tầng độ cao lớn, mức độ chia cắt mạnh, nhiều nơi tạo thành vách đứng có thể xảy ra sụt lở, trƣợt khối. Độ cao trung bình của huyện từ 500 - 1.500 m (cao nhất là đỉnh núi ở xã Nậm Chày 2.875 m, thấp nhất là Ngịi Chăm 85 m).
Nhìn chung, địa hình nghiêng dần theo hƣớng Tây - Tây Bắc xuống Đơng - Đơng Nam, độ dốc trung bình từ 20 - 250, có nơi trên 500
và có thể chia thành hai dạng đặc trƣng sau:
- Địa hình đồi núi cao: Chiếm hơn 90% diện tích tự nhiên, phần lớn là các dãy núi có độ cao 700 - 1500 m, độ dốc trung bình 25 - 350, có nơi trên 500. Các dãy núi phân bố không theo hƣớng nhất định mà tạo thành những đai ngăn cách giữa các xã trong huyện.
- Địa hình thung lũng và bồn địa: Chiếm khoảng 10% diện tích tự nhiên, phân bố xen lẫn các dãy núi, đồi có ở tất cả các xã trong huyện. Dạng địa hình này tƣơng đối bằng, độ cao trung bình 400 m - 700 m, độ dốc trung bình 3 - 100
. Văn Bàn có mạng lƣới sơng, suối khá dày, bình qn khoảng 1,0 - 1,75 km/km2, gồm sơng Hồng và các suối chính nhƣ: Suối Nậm Tha, Ngòi Chăm, Ngòi Nhù. Hệ thống sơng suối khá nhiều, bình quân khoảng 1,5 – 1,75 km/km2 gồm:
- Sơng Hồng: Chảy qua phía Đơng Bắc của huyện (tiếp giáp với huyện Bảo Yên) với chiều dài khoảng 30 km. Hƣớng dòng chảy từ Bắc xuống Nam, lịng sơng rộng, sâu, nƣớc chảy xiết. Lƣu lƣợng nƣớc sông thay đổi theo mùa, vào mùa mƣa lƣu lƣợng nƣớc rất lớn có năm lên đến 4.830 m3
/s, vào mùa khơ lƣu lƣợng nƣớc nhỏ, trung bình 70 m3/s. Sơng Hồng có vai trị rất lớn trong việc cung cấp nguồn nƣớc cho sản xuất, sinh hoạt và giao thông vận tải đối với vùng Đông Bắc huyện. Hàng năm sông Hồng mang khối lƣợng phù sa khá lớn bồi đắp cho vùng ven sông của huyện (mùa lũ lƣợng phù sa từ 6.000 – 8.000 gr/m3
nƣớc, mùa cạn 50 gr/m3 nƣớc) làm cho đất đai vùng này khá màu mỡ. Tuy nhiên mùa mƣa nƣớc sông dâng cao, gây lũ lụt thất thƣờng, xói lở đất đai, ảnh hƣởng khơng ít đến đời sống nhân dân.
- Ngòi Chăn: Chiều dài khoảng 65 km, rộng từ 30 - 60 m, bắt nguồn từ vùng núi cao phía nam dãy núi Hồng Liên Sơn và chảy theo hƣớng từ Tây sang Đông, qua địa phận các xã: Nậm Xé, Nậm Xây, Hoà Mạc, Dƣơng Quỳ… Diện tích lƣu vực khoảng 50 km2
.
- Nậm Tha: Chiều dài khoảng 25 km, rộng 25 – 40 m. Bắt nguồn từ vùng núi cao phía Đơng Nam huyện chảy theo hƣớng Đơng Nam – Tây Bắc, từ Bản
Vƣợng (Nậm Tha) tới Làng Vệ (Chiềng Ken) và nhập vào Ngòi Nhù, diện tích lƣu vực khoảng 20 km2
.
- Ngòi Nhù: Chiều dài khoảng 45 km. Bắt nguồn từ vùng núi cao và trung bình ở phía Nam huyện chảy theo hƣớng Nam - Bắc qua địa phận các xã: Khánh Yên Hạ, Khánh Yên Trung, Khánh Yên Thƣợng, Sơn Thuỷ, Võ Lao, Văn Sơn… Diện tích lƣu vực khoảng 30 km2
.
Ngồi ra trên địa bàn huyện cịn có rất nhiều các khe suối nhỏ với tổng chiều dài hàng trăm km. Các khe suối này hầu hết lòng hẹp, dốc, nhiều thác ghềnh, lƣu lƣợng nƣớc đến hàng nghìn m3/s đáp ứng tốt cho nhu cầu và nƣớc sản xuất cũng nhƣ sinh hoạt nhƣng cũng gây khơng ít thiệt hại cho nhân dân trong những mùa mƣa lũ.