延川县地形地貌属黄士高原丘陵沟壑区，地质构造属华北陆台鄂尔多斯地台组成部分，地表沟壑纵横，梁峁起伏，黄土深厚。地势西北高，东南低，由西向东倾斜、系白于山脉系，最高海拔1402.6米，最低海拔508.5米。属温带大陆性季风气候，平均气温10.9℃，气候干燥，四季分明。年日照时数2404.6小时，无霜期201天，全年东南风较多，历年平均降水量495.7毫米，降水量分布的总趋势是东南多，西北少，从东南向西北递减，主要降水时段为6～8月，降雨集中期在6～9月，夏多暴雨。
县境内矿产资源丰富，已探明的矿产资源有石油、煤炭、天然气、盐、砂等。石油储量2966万吨，煤炭储量3937万吨，天然气储量500亿立方米、岩盐储量1113亿吨，黄河砂储量4.3亿立方米。
延川县境内的河流属黄河水系，清涧河为黄河一级支流，其主要支流有永坪川河、青平川河、文安驿川河、拓家川河。县境东界的黄河一级支流有眼岔寺河、张家河川河、清水河、毛坬山河等21条、二级支流69条、三级支流138条、四级支流110条、四级以下支流8条。全县水资源总量为20461万立方米，可利用总量为3100万立方米，其中地表水1208万立方米，地下水322万立方米。除黄河沿岸几乡镇个别水源含氟量为1.1—6毫米/升，不宜人蓄饮用外，其余均为二、三级水，能满足工农业和生活用水。但人均水资源占有量427立方米，低于人均标准2300立方米的最低需水线。
延川生态环境怡人，自然景观壮美，人文景观众多。现存有乾坤湾、女娲峰、河图岛、摩崖天书、神圪塔山龙山文化遗址、唐代古城遗址、小程古窑、武烈帝嘉平陵、会峰寨、李娓娓故里、路遥故里及包括梁家河在内的红色旅游旧址等72处。黄河流经县境68公里形成的秦晋大峡谷，是国土资源部命名的“黄河蛇曲地质公园”，依托公园打造的乾坤湾景区，是国家4A级旅游景区、国家水利风景区，正在创建国家5A级旅游景区。