三水区位于北纬22度58分至23度34分，东经112度46分至113度02分。地处广东省中部，佛山市境西北部，珠江三角洲西北端。总面积达874.22平方公里。东邻广州市花都区，东南与佛山市南海区相连，西北与四会市交界，北接清远市清城区、清新县，西南街道与高要市、佛山市高明区隔西江相望。区人民政府驻地中心城区，东距广州市区30公里，东南距佛山市禅城区24公里。
  三水区地形地貌复杂，有低山、岗地、平原、洼地等，在土地利用上具有多样性。
  三水区地形狭长，南北相距68km，东西相距30km，地势自西北向东南倾斜，属半丘陵区。西北部多为200~300m的低山高丘，最高峰西平岭海拔591m。东部、中部、南部均为低壑丘陵台地，河涌纵横，土地肥沃；西北部为低山高丘，土壤母质为砂砾岩、变质砂岩、花岗岩及石灰石等，约占全区土地面积的8%。分布于全区各地的丘陵区，均为砂岩、沙页岩、砾岩赤红壤等组成，约占24.4%。其余为泥沙冲积平原和河网地带，土地肥沃。形成了“三山二水五分田”的土地分布格局，呈现出优美的山水交融的田园景致。
  三水区地处亚热带，属南亚热带海洋性季风气候，降雨充沛，但分布不均匀，时有洪涝、干旱等灾害发生，夏秋两季常受热带风暴（台风）影响，雷电灾害频繁，属雷暴盛发区。影响三水区的气象灾害主要有：早春的低温阴雨、夏季的台风、暴雨及强对流天气（强雷暴、大风、冰雹等）；冬季的寒潮等。
  全区居民绝大部分为汉族，占总人口99.7%以上；其余为壮、瑶、满、土家、回、侗、藏、苗、土、黎、布衣、蒙古、朝鲜、仡佬、彝、白、傣、毛南、京等少数民族，有部分是改革开放以来人口流动等原因迁入的。绝大部分地区说广州方言，佛山方言，南山镇六和片多数村落说客家方言，约占总人口的3%。