丸森町は、阿武隈山地の北端部に位置し、町北部の伊具盆地を形成する低地以外は、ほとんどが標高400m前後の高原性の山地帯を形成している。
丸森町の水系は、福島県南部に源を発し、亘理町荒浜付近で太平洋に注ぐ阿武隈川が町の西部から北部を貫流し、町西部を北流する雉子尾川水系が町の北東部でそれぞれ合流する。
阿武隈川は、かつては水上交通や鮭漁等で地域経済・産業の発展に大きな役割を果たしていた反面、たびたび洪水を起こし、田畑だけでなく人家の被害も多かった。
現在の堤防は第二次世界大戦後の国の堤防で、洪水の心配はほとんどないが、内川、雉子尾川は川幅が狭く、豪雨による洪水の危険があるため、現在でも改修が施されている。
気候は、年間平均気温が12.1度Cと温暖型であり、そのこともあって北限の植生が豊富に見られる。