柯桥区南靠会稽山，北濒海，故呈西南高、东北低的阶梯形地势，山脉、平原、海岸兼有，受江山—绍兴大断裂影响，山丘与平原间界限比较明显。西南部为低山丘陵河谷区，占全区总面积约52%，中北部为水网平原区，占全区总面积约31%，平均海拔6～7米，偶有孤山、残丘分布其间，其高度一般不超过200米，史称山会平原。东北部为滨海平原区，占全区总面积11%，海拔5米左右，系淤涨型滩涂，地势平坦。

柯桥区内山地和丘陵在形态和成因方面有许多共同之处，其分布也紧密相连，犬牙交错，难以截然区分。区内群山连绵，山体抬升强烈，地形破碎，溪流短小湍急，一般在海拔300米～400米之间，向东北急剧倾斜，降至海拔20米左右时，与无数山麓冲积扇和中北部冲积平原相连，坡度以15°～ 25°和大于25°为主。境内水系发育受地质构造及地貌形态制约，南部丘陵山地地面切割强度大，地形破碎，树枝状水系发育；北部水网平原地势低平，河湖密布，交织成网。

柯桥区境处于浙西山地丘陵、浙东丘陵山地和浙北平原三大地貌单元的交接地带，地貌类型复杂，以山地丘陵、丘陵盆地和河谷平原为主，有夏履、型塘、漓渚、兰亭、平水及小舜江河谷，王坛、平水盆地，其面积较小，山城较狭，水流湍急，含沙量较高，土壤冲积明显。丘陵盆地与水网平原交界处均有大片坡地、阶地，漓渚、兰亭一带面积较大，坡度皆在1 0°以下，土层深厚，适宜农耕。

境内有地望名称并经实测高程的山岗273座，岭24座，为五百岗、木窝尖、独子尖、化山、秦望山等，海拔一般在300～400米之间。骆家尖海拔700多米，为境内最高峰。

柯桥区境内河流源于南部会稽山，除小舜江、浦阳江外，均流经中部平原，北注曹娥江、入钱塘江。经历自然水系、鉴湖水系、运河水系的发展演变过程。现分属小舜江、运河、浦阳江三大水系，又以运河水系为主。

小舜江是曹娥江中游的最大支流，流域面积534平方公里，其中柯桥区境范围的流域面积为294平方公里，主要支流有南溪、北溪、双江溪、王化溪等。西干山脉与化山山脉之间丘陵、平原地区的溪、河、湖泊，总称运河水系，由山区河流、平原河网和平原湖泊三部分组成，流域面积为731平方千米。山区河流源出于西干山脉和化山山脉，源短流急，由南向北，下注平原与萧绍运河通连，为平原河湖网的主要水源，自西依次往东的主要河流包括夏履江、陌坞江、型塘江、项里江、秋湖江、漓渚江、娄宫江、平水江等。萧绍运河贯穿东西，其径流主要有西小江、直落江经新三江闸、马山闸等注入曹娥江。

柯桥区有6个主要湖泊，以萧甬铁路为界，分成两大系统。路南以古鉴湖残留湖泊为主，路北属于滨海潟湖，主要湖泊有鉴湖、瓜渚湖、大小坂湖、芝塘湖、施家荡、屃石湖等。

柯桥区域土地面积约为1066平方公里。境内矿藏资源丰富，目前已探明32个矿种、85个矿点。内生矿为铁、铜、金、多金属、萤石等，是浙江省钢铁、冶金、化工、有色金属原材料及黄金的重要产地之一。外生矿有石煤、泥炭、钾、石英、石灰石、白云石等。境北部第四系地层中有天然气。

柯桥区地处亚热带季风气候区。温度湿润、日照充足、四季分明。王安石曾赞誉“越山长青水长白，越人常家山水国”的诗句，赞绍兴“山常青，水常白”，气候湿润宜人。作为江南水乡，境内南部会稽山脉峰峦叠翠、千岩竞秀、溪涧溅珠；中部平原河湖密布、石桥参差、沃野千里；北部三江汇流、沧海桑田、一畴平展。