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군의 동부는 소백산맥이, 서부는 노령산맥이 뻗어 있어 장수읍과 장계면 일대의 분지를 제외하고는 대부분 험준한 산지를 이룬다.
소백산맥을 따라서 군의 동쪽에는 시루봉(1,162m)·남덕유산(1,507m)·깃대봉(1,015m)·백운산(1,279m)·월경산(980m)·봉화산(920m) 등이 솟아 있어 경상남도와의 경계를 이루며, 서부에는 천반산(647m)·성수산(1,059m)·팔공산(1,151m)·묘복산(846m) 등이 솟아 있다.
금강이 장수읍과 천천면의 중앙을 북류하고, 계남면과 장계면의 경계를 지나온 장계천을 합류한다. 또한 군의 남부에는 백운산 계곡에서 발원해 남서류하는 백운천과 장안산 서쪽 계곡에서 발원해 남류하는 용림천이 번암면 노단리에서 합쳐져 요천의 상류를 이룬다. 이 하천연안을 따라 소규모의 평야가 발달하고 있다.
기반암은 대부분이 화강암질 편마암으로 이들 화강암류가 심층풍화되어 산서면·장수읍·계남면·장계면 일대에 해발고도 500m 내외의 고원상의 내륙분지가 발달해 있고, 평야의 발달은 매우 미약한 편이다. 소백산맥의 동쪽 사면에 해당하는 남부내륙형 기후구로 지형의 고저로 인한 기온차가 심하다. 연평균기온 11~13℃, 1월평균기온 ―1.0℃ 내외, 8월평균기온 26℃ 내외, 연강수량 1,100~1,200㎜이다.
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