Tuyên Hóa nằm về phía Tây - Nam dãy Hoành Sơn, giáp với dãy Trường Sơn, có địa hình hẹp, độ dốc giảm (nghiêng) dần từ Tây sang Đông và bị chia cắt bởi nhiều suối, núi đá; cao trình vùng thấp từ 2 - 6 m, cao trình vùng cao từ 25 - 100 m. Địa hình phía Tây Bắc là núi cao và thấp dần về phía Đông - Nam. Toàn bộ huyện có thể chia thành 2 dạng địa hình chính:
- Địa hình núi cao trung bình: Phân bổ chủ yếu ở ranh giới phía Tây Bắc huyện, ở các xã Hương Hóa, Thanh Hóa, Thanh Thạch, Kim Hóa, Ngư Hóa, Lâm Hóa, Thuận Hóa giáp với tỉnh Hà Tĩnh và xã Cao Quảng ở vùng phía Nam huyện giáp với huyện Bố Trạch. Địa hình vùng này có đặc điểm là núi có độ cao trung bình 300 - 400 m, một số đỉnh có độ cao 700 m; địa hình chia cắt mạnh, sườn núi có độ dốc lớn với các khe hẹp, lớp phủ thực vật chủ yếu là rừng nghèo và trung bình;
- Địa hình vùng gò đồi đan xen các thung lũng: Phân bổ chủ yếu dọc sông Gianh (Rào Nậy, Rào Trổ). Bao gồm: Lê Hóa, Đồng Hóa, Thạch Hóa, Sơn Hóa, Nam Hóa, Đồng Lê. Đặc điểm địa hình gồm các đồi có độ cao từ 20 - 50 m có nguồn gốc hình thành từ phù sa cổ nên sườn dốc khá thoải từ 5 - 15% đan xen các thung lũng nhỏ;
- Địa hình vùng đồng bằng: Chủ yếu phân bổ ở các xã phía Đông Nam huyện gồm: Đức Hóa, Phong Hóa, Mai Hóa, Tiến Hóa, Châu Hóa và Văn Hóa. Đồng bằng của huyện có đặc điểm nhỏ hẹp ven sông, hàng năm thường ngập lũ nên được phù sa bồi đắp; đây là vùng trọng điểm lúa màu và nguồn cung cấp lương thực chính của toàn huyện.