本区属于中央山脉尾端西斜面山麓,眼目所见尽是绵延秀丽的山林及山岳奇观,随着日出日落有不同的奇特景观.茂林国家风景区地形南北狭长,北部山区属于阿里山山脉与玉山山脉,中,南部山区为中央山脉,为东高西低的地形.荖浓溪,浊口溪,隘寮溪三大溪穿流境内,曲流,瀑布,纵谷等自然景观广布其间.东面部分坡度约30%以上,西面山麓地势较为平坦,多为果园或旱田.本区的陡峭山势及板页岩地质,经过浊口溪千万年的切割,造成特殊的曲流,环流丘,龙头山,蛇头山的奇特地形,是全世界仅见的环流丘地形景观.
环流丘是河流在掘凿作用中,将曲流颈切断而形成的现象,属于曲流地形的一种,所以在形成环流丘之前,一定会先形成曲流.曲流的形成,是因为河水受到阻力向外侧冲刷,使得岸壁受到冲蚀,逐渐形成凹岸 (称为切割坡).而流速较慢的一侧,则会发生沙石堆积的现象,使得岸边较宽广低平,形成凸岸(称为滑走坡).随着河流的作用,曲流的弯曲度逐渐变大,使曲流颈慢慢的被截断,河川改走新的河道,旧的河道则逐渐枯竭,同时,地壳举升使得陆地高出河平面,被新旧河道所环绕,这被环绕的山丘,即是环流丘.台湾在北部的新店溪,中部的大甲溪中游,北港溪下游,雾社溪(春阳附近),南部的浊口溪以及东部的秀姑峦溪下游,都能看到环流丘地形的特征,其中以浊口溪最为显著.且一般环流丘的比高在10米至30米之间,浊口溪的比高则在100米以上,属"高峻环流丘",全世界很少见,因而显得十分珍贵.茂林国家风景区被浊口溪贯穿全区,区内二个最典型的环流丘地形,分别为蛇头山及龙头山,两者均位于万山里往多纳里的途中.蛇头山状似蛇头,栩栩如生的景观就是河流所形成的.而龙头山也是因为水流长期的侵蚀及推积作用而形成宛如龙脊的山丘.
由于河流的下切作用力强,茂林国家风景区内呈现许多峡谷地形,加上有荖浓断层和潮州断层通过,使得区内拥有许多瀑布及断崖景观,瀑布景点多达21处.这些瀑布有的气势奔腾壮阔,有的悬垂如丝,风貌各异,这是由于地形及高度落差所造成的.
悬谷瀑布:当河川主流的水流量比支流大时,主流的下切速度也会比支流大,而形成悬谷瀑布,如桃源区之少年溪瀑布.若主流有数段落差,会使河床形成阶梯状,瀑布有如帘幕,如六龟区之大智瀑布.
时雨瀑:当有豪雨或台风时,大量的雨水导致的临时性瀑布,雨停后或数日内便会消失.
本地区一年平均降雨量为250至300毫米,雨水集中于夏季,平均夏季雨量占全年雨量约80%,冬季比较干燥,平均降雨量不到30毫米.湿度方面和降雨量时节对等,一般而言,8月湿度最高,12月最低.因地处台湾西南部,1月盛行西北风,7月多吹北风.