莒南县跨胶南地体和沂沭断裂带。亚洲东部著名的郯（城）庐（江）巨型断裂带呈北北东向通过县境西部。沂沭断裂带最东侧的分支断裂昌邑——大店断裂，将县境地分为两部分：断裂带以东为“胶南地体”，它是扬子板块和华北板块的碰撞带，地体的基底结晶岩系为元古界胶南群；断裂以西为“沂沭断裂带”。上述两个地质构造单元在地层、构造、岩浆岩等方面，具有显著差异。
莒南县属鲁东南丘陵区，为胶南隆起的一部分。地势总特点是东高西低，东部是北高南低，并向东南和西南呈脊背状倾斜。县境地貌以大店、十字路至相沟为界，分为东西两部分：东部低山丘陵区，西部平原区。大致分为低山丘陵区、剥蚀丘陵区、岭下平地和洪积——冲积平原区四种地貌类型。以低山丘陵为主，其它类型地貌分布面积较小。低山丘陵区大店至十字路以东的县境北部和东北部地区，部分分布于南部和东南部，文疃、涝坡等镇的大部分地区，十字路、大店、筵宾、坊前、相沟及洙边等镇街的部分地区，属于低山丘陵区。海拔高度在100米以上、坡度大于8°的低山丘陵区约为526-700平方公里，占全县总面积的30-40%。其特点为北部山峻坡陡，沟深谷狭，岩石裸露，土层较薄；东及东南部山低岭缓，土层较厚。
剥蚀丘陵区主要分布在县境南部和东南部，局部分布于西北部，坊前、洙边、相沟等镇的部分地区，属于剥蚀丘陵区。境内海拔高度低于100米，坡度低于3°至5°的剥蚀丘陵区约526-613平方公里，占全县总面积的30-35%。该区特点为丘低坡缓，阜岗浑圆，沟宽谷阔，起伏如波。该类地貌基岩的风化剥蚀程度严重。基岩类型主要以胶南群变质岩系为主，其次为泰山群变质岩，部分地段为燕山期花岗岩类和白垩系陆相碎屑岩、红色砂砾岩。基岩之上形成厚风化壳。地表多被残坡土覆盖，土层较厚，以白浆化棕壤为主，县内多垦为耕地。
岭下平地县境东部的山前平地、岭间平地及沿河谷地，为岭下平地区，多与低山丘陵和剥蚀丘陵相间分布。特点为谷宽而平，地块大，阶差小。成土母质为洪积物、冲积物及残坡物。土壤类型为潮棕壤、河潮土、水稻土，局部为白浆化棕壤，是县内粮油耕作区。
境内山脉系崂山—五莲山脉余脉，由莒县长x城岭岭脉和万松山脉延伸而来。分为六条山脉，按大小排列，依次为·山山脉、黄山山脉、望海楼山脉、五龙山脉、甲子山脉、石杭山脉，共有大小山头517座，平均海拔200米，境内最高点为北部的马鬐山，海拔662.2米。
水文莒南县有两大水系：沭河水系居县境西、北部，流域面积902平方公里，占全县总面积的51.4%，主要支流有浔河、鸡龙河、武阳河、鲁沟河、汀水河。滨海水系位于县境东、南部，主要河流有龙王河、洙溪河、绣针河。三河均系单独入海水系。流域面积850平方公里，占全县总面积的48.6%。境内有323条河流，年平均水资源总量4.4亿立方米。分西南、东南两大水系，河流总长1708公里。有大型水库1座，中型水库3座，小型水库199座，湿地面积达到3.5万亩，水资源比较丰富。
气候莒南县属暖温带季风区半湿润大陆性气候，大陆度61.1%。气候总特征是：春季温暖，干燥多风；夏季湿热，雨量充沛；秋季凉爽，昼夜温差大；冬季寒冷，雨雪稀少。四季分明，光照充足，无霜期长。常年最热月为7月和8月，平均气温为25.5℃，年际变动在28.2-23.3℃之间，极端最高气温为38.9℃（1988年7月8日）；常年最冷月为1月，平均气温为-1.9℃，年际变动在-4.6-0.3℃之间。极端最低气温为-19.2℃（1969年2月5日）。当地有“冷在三九，热在中伏”之谚。降水量的地区分布历年降水量分布中间少，东西多，由东西部向中间递减。各月平均日照时数以5、6月份最多，分别为244.1小时和222.0小时。最少是2月和7月，分别为173.7小时和181.4小时。
