Là huyện ở phía Tây tỉnh Nghệ An, nằm giữa phủ Tương Dương cũ, có sông Lam, có quốc lộ số 7 đi từ đầu đến cuối huyện, chia Tương Dương thành hai mảnh, mảnh phía Nam và mảnh phía Bắc, mảnh phía Bắc rộng hơn mảnh phía Nam, nên Tương Dương có vị trí giới hạn như sau:
Phía Tây giáp huyện Kỳ Sơn, giới hạn ở Khe Kiền. Phía Đông giáp huyện Con Cuông, giới hạn ở Khe Thơi.
Phía Nam giáp với nước Lào, có đường biên giới ngăn cách bởi dãy Trường Sơn.
Phía Bắc giáp ba huyện Quế Phong, Quỳ Châu và Quỳ Châu cũ.
Như vậy, Tương Dương nằm từ kinh độ 104º3’ đến 104º55’ về phía Đông và từ 18º58’ đến 19º59’ vĩ độ Bắc.
Diện tích tự nhiên: 281.192,73 ha.
Toàn bộ Tương Dương nằm trong vùng địa hình có độ cao trung bình từ 65- 75m so với mực nước biển. Dọc biên giới(54km) có một số ngọn núi cao trên 1000m, nằm trong dãy Trường Sơn. Phía tây nam có nhiều dãy núi kéo theo hướng tây bắc - đông nam, gần như song song với sông Cả, có độ cao từ 600 -700m. Các nhà địa lý căn cứ vào các yếu tố tự nhiên đã chia Nghệ An thành 4 vùng sinh thái lớn: vùng Tây Bắc, vùng Tây Nam, vùng Đông Bắc, vùng Đông Nam. Tương Dương nằm trong vùng Tây Nam. Đây là vùng thiếu cân xứng, dốc nhiều, sông suối ngắn, hiện tượng xâm thực và chia cắt mạnh, nên sông suối cắm sâu vào đường phân thuỷ, đẩy lùi đường phân thuỷ về phía tây, để lại những đỉnh núi cao. Vùng này, đất feralit đỏ vàng chiếm đại bộ phận, phân bố tới độ cao 800m trở lên. Do quá trình phân giải hữu cơ nhanh nên đất vùng này không tốt bằng vùng Tây Bắc dù cũng là miền núi. Đất mùn ở Tương Dương không dày lắm, tầng thảm mộc hữu cơ mỏng. Ngay ở những nơi quanh năm rừng cây rậm rạp, trên mặt đất cũng không thấy có tầng thảm mộc dày, sức giữ nước của đất và hệ số ngấm nước thấp, thua nhiều so với vùng Tây Bắc.
Tương Dương nằm trong vùng đất phù sa cũ, có nhiều sản phẩm feralit đỏ vàng(cả vùng Tây Nam này chiếm tới 113.250 ha). Do đặc điểm của khí hậu, quá trình feralit hầu như bị tê liệt nên các chất hữu cơ hầu như không được phân giải, lượng mùn chiếm 8-12%, đất chua xấp xỉ, cao hơn nhiều so với nơi khác.
Dựa vào đặc điểm địa lý, địa hình và thổ nhưỡng các đồng chí lãnh đạo ở huyện Tương Dương đã chia huyện thành 3 tiểu vùng như sau:
Tiểu vùng đường 7: nằm dọc đường quốc lộ số 7 và sông Lam, tính từ dưới lên ta có các xã: Tam Quang, Tam Đình, Tam Thái, Tam Hợp, Thạch Giám, Xá Lượng, Lưu Kiền, Lượng Minh. Thị trấn Hoà Bình nằm giữa xã Thạch Giám. Như vậy tiểu vùng này có 8 xã và 1 thị trấn.
Tiểu vùng Trên- Tiểu: nằm dọc theo sông Nậm Nơn, bắt đầu từ mé trên Cửa Rào lên đến biên giới, một bên giáp Lào, một bên giáp Quế Phong. Vùng
này gồm các xã Kim Đa, Kim Tiến, Hữu Khuông, Hữu Dương, Luân Mai và Mai Sơn. Diện tích vùng khoảng 66.000 ha.
Tiểu vùng Trong: nằm ở phía bắc huyện Tương Dương. Trừ xã Bình Chuẩn cắt về Con Cuông, còn 5 xã hiện tại đều là đất của huyện Hội Nguyên cũ. Tiểu vùng này giáp Quỳ Châu, Quỳ Hợp, năm xã của vùng này gồm: Yên Na, Yên Hoà, Yên Tĩnh, Yên Thắng và Nga Mi. Diện tích vùng 76. 720 ha.
Cũng như cả miền núi Nghệ An, khí hậu ở Tương Dương không bình thường. Do lam sơn chướng khí, người ở thưa thớt, do sự thay đổi thời tiết khá mạnh và nhiều khi đột ngột, do đời sống thiếu thốn nên người dân ở Tương Dương trước đây thường bị sốt rét, bệnh kiết lỵ, bệnh đi đái ra máu do thừa nước mật, bệnh đau gan và vàng da, vàng mắt,…
Trạm khí tượng ở Cửa Rào đã nhiều lần trong cùng một ngày ghi được những khoảng cách đột ngột về nhiệt độ từ 10 đến 12 độ. Ở đây có sự phân biệt hai mùa rõ rệt: mùa nóng từ cuối tháng 4 đến đầu tháng 10, mùa khô lạnh từ tháng 11 đến đầu tháng 4 năm sau.
Về mùa nóng: tiết trời nóng nực, nhiệt độ trung bình vào ban ngày thường là 30ºC, có khi đến 40ºC, bão tố và mưa lớn thường xuất hiện vào những tháng nóng nực này. Gió mùa Tây Nam khô nóng mà người xứ Nghệ gọi là gió Lào xuất hiện trong mùa này. Gió mùa Tây Nam - gió Lào xuất phát từ Bănggan thuộc Ấn Độ Dương vốn mang theo hơi nước, song thổi qua một đoạn đường dài trên các lục địa Miên Lào vào mùa hạ, nên hầu hết hơi nước đều để lại ở sườn phía tây của dãy Trường Sơn. Vượt Trường Sơn sang miền bắc Trung Bộ Việt Nam, luồng gió này đã trở nên khô nóng dưới ánh nắng gay gắt của những ngày hè. Gió Lào thổi mạnh nhất là từ tháng 6 đến tháng 8 dương lịch. Có đợt kéo dài đến chục ngày trời làm khe suối khô cạn, hoa màu cây cối quắt héo, gây nạn cháy rừng. Dù ở miền rừng núi có nhiều cây cối, song mỗi khi có gió Lào thổi, con người cũng bức bối, khó chịu.
Về mùa lạnh: thường có gió mùa Đông Bắc. Gió mùa này xuất phát từ Đông Bắc á và Thái Bình Dương. Thời gian này (từ tháng 11 trước đến tháng 4
năm sau), phía bắc từ 50-60 độ, ở kinh độ Đông từ 90-110 độ, ôn độ thường hạ thấp từ 20- 30 dưới độ 0, gây nên một vùng áp cao rộng lớn và chuyển dịch về hướng nam, nơi có áp lực nhỏ hơn. Đặc điểm của gió mùa này thường khô và lạnh, song vì thổi qua vịnh Bắc Bộ nên nhận được nhiều hơi nước, đến khi vào đất liền, gặp phải các dãy núi phía Tây mà chủ yếu là dãy núi Trường Sơn, gió mùa có mang hơi ấm lạnh đi, hình thành mây mưa. Mưa trong những ngày có gió mùa Đông Bắc vào mùa lạnh có khi khá lớn và thường kéo dài ở cả xứ Nghệ.
Tương Dương là một huyện vùng cao, địa bàn rộng, dân cư thưa thớt, mật độ 26 người/km², địa hình gồ ghề, toàn đồi núi nhấp nhô cao thấp, đất bằng chẳng có bao nhiêu, sông suối ken dày, địa thế rất hiểm trở, đường xá đi lại rất khó khăn, có đến 10 xã, ô tô chưa vào đến trung tâm xã, 2 xã Nhôn Mai và Mai Sơn chưa có đường giao thông, một số xã khác có đường cho ô tô ra vào được, nhưng chỉ mùa khô. Nhiều xã nhân dân đi lại toàn bằng thuyền gắn máy hay thuyền độc mộc.
Thiên nhiên đã phú cho Tương Dương một nguồn tài nguyên thiên nhiên khá giàu có.
Về lâm sản: rừng Tương Dương trong đó có trên 90 loài cây, 42 loài đã được ghi vào sách đỏ Việt Nam. Nhiều gỗ quý, gỗ to như lim, táu, chò chỉ, sến, lát hoa, đinh hương, xăng lẻ, vàng tâm, dổi, kiền kiền,… Các loại cây như: tre, nứa, mét ở Tương Dương cũng nhiều, nhất là cây mét (luồng), Tương Dương đã xây dựng vùng mét hàng hoá với diện tích 7000 ha, đề ra mục tiêu cho mỗi gia đình trồng 1 ha trở lên. Rừng Tương Dương có nhiều lâm sản quý khác như: cánh kiến đỏ, song, mây… các loại dược liệu quý như sa nhân, đẳng sâm…
Về động vật: rừng Tương Dương trước đây có nhiều thú quý như voi, hổ gấu, bò tót, lợn rừng, khỉ, sóc bay, chồn,… gồm 46 loài có vú và 120 loài chim, trong đó có nhiều động vật có giá trị bảo tồn gen như khỉ, vóc, gấu, hổ…đặc biệt là Vooc xám, đã được ghi vào “Sách đỏ Việt Nam”.
Về khoáng sản: rừng núi Tương Dương có hàng chục triệu khối đá, trong đó có nhiều loại. Vì công nghiệp chưa phát triển nên tại Tương Dương chưa có một công trường khai thác đá nào. Ngoài ra có sỏi, cát.
Về than: Tương Dương có mỏ than Khe Bố ở xã Tam Quang. Đây là mỏ than mỡ, chất lượng khá, theo khảo sát ban đầu, trữ lượng khoảng 5 triệu tấn, nhưng trữ lượng dùngtrong công nghiệp thì khoảng 2 triệu tấn.
Đáng kể nhất là vàng: có thể nói các sông suối trên đất Tương Dương chỗ nào cũng có vàng. Vàng lắng đọng trong cát phải đãi mới lấy được, gọi là vàng sa khoáng hay sa khoáng.
Về tiềm năng thuỷ điện: rừng núi Tương Dương có sông Cả (sông Lam) đi qua. Sông Cả là 1 trong 27 con sông có tiềm năng thuỷ điện lớn ở nước ta. Xây dựng các công trình hồ chứa nước ở thượng nguồn để điều tiết lũ, tăng dòng chảy mùa nước kiệt, kết hợp với phát điện, nuôi trồng thuỷ sản, giao thông thuỷ thuận tiện, du lịch và điều hoà khí hậu, củng cố hệ thống đê, kè sông, bảo vệ rừng, tăng nhanh độ che phủ trên lưu vực,… là đặc biệt quan trọng. Tiềm năng tài nguyên thiên nhiên này, Tương Dương đã đề cập, đó là công trình thuỷ điện Bản Lả.