該保護區地理位置為:東經126°35′~128°02′,北緯42°06′~43°51′。總面積約114.5萬公頃。其中林地82.3萬公頃,占總面積71.9%;水域5.7萬公頃,占總面積的5.0%。三湖保護區地處長白山余脈。四面環山,西面是吉林哈達嶺山脈,北面是老爺嶺山脈,東面是威虎嶺和黃泥嶺山脈,南面是老嶺山脈。地勢東南高西北低。地貌多為中(高)山?低(丘)山?崗(臺)川類。其面積比例大致為七山二崗一川。境內山巒起伏,綿延不斷,溝壑縱橫,異峰突兀。海拔800米以上的山峰有80余座,其最高為南樓山,海拔1404.8米,在樺甸市常山境內;最低為豐滿壩下,海拔約190米。該地區地質構成多為玄武巖、石灰巖、土壤類型為暗棕壤、白漿土、草甸土、棕色森林土、泥炭土等。
三湖保護區處于北溫帶大陸性季風氣候區內。四季分明,年、日較差大。春季干燥多風?夏季溫熱多雨?秋季晴爽?冬季嚴寒?年平均氣溫在1.9℃~4.4℃之間?極端高溫36.6℃,極端低溫-45℃。年≥10℃積溫為1900℃~2800℃,并呈由南至北增加趨勢?年日照時數2350~2450小時?年降水量由南向北略有減少,為834~673毫米之間。無霜期大致為110~130天。一月平均氣溫約為-18℃,七月平均氣溫約為20℃左右。該區夏季盛行西南風,冬季盛行西北風。
保護區由于受到三個湖泊及森林等因素影響,又具有湖泊氣候、谷地氣候和森林氣候的復合特征。