该保护区地理位置为：东经126°35′～128°02′，北纬42°06′～43°51′。总面积约114.5万公顷。其中林地82.3万公顷，占总面积71.9%；水域5.7万公顷，占总面积的5.0%。三湖保护区地处长白山余脉。四面环山，西面是吉林哈达岭山脉，北面是老爷岭山脉，东面是威虎岭和黄泥岭山脉，南面是老岭山脉。地势东南高西北低。地貌多为中(高)山､低(丘)山､岗(台)川类。其面积比例大致为七山二岗一川。境内山峦起伏，绵延不断，沟壑纵横，异峰突兀。海拔800米以上的山峰有80余座，其最高为南楼山，海拔1404.8米，在桦甸市常山境内；最低为丰满坝下，海拔约190米。该地区地质构成多为玄武岩、石灰岩、土壤类型为暗棕壤、白浆土、草甸土、棕色森林土、泥炭土等。
三湖保护区处于北温带大陆性季风气候区内。四季分明，年、日较差大。春季干燥多风､夏季温热多雨､秋季晴爽､冬季严寒｡年平均气温在1.9℃～4.4℃之间｡极端高温36.6℃，极端低温-45℃。年≥10℃积温为1900℃～2800℃,并呈由南至北增加趋势｡年日照时数2350～2450小时｡年降水量由南向北略有减少，为834～673毫米之间。无霜期大致为110～130天。一月平均气温约为－18℃，七月平均气温约为20℃左右。该区夏季盛行西南风，冬季盛行西北风。
保护区由于受到三个湖泊及森林等因素影响，又具有湖泊气候、谷地气候和森林气候的复合特征。
