天柱山属大别山东延的一个组成部分，山体主要由万山岩体组成。它的地质构造十分复杂，多为花岗岩、混合花岗岩，二长片麻岩所构成。山体形成演变的历史过程，可以追溯到距今已20亿年的晚太古代末期大别山运动。第四纪以来，新构造运动，在天柱山山体内外，沿着各种不同方向，不同时代的断裂，产生较剧裂的差异升降，使天柱山层状特征更加突出。造就了天柱山的奇峰、怪石、幽洞、飞泉等品位较高的自然景观。
天柱山是季风北亚热带气候，风景秀丽，气候宜人。它的年平均气温偏低，一般在9.5℃左右，年较差偏小，约为22.3℃。七月份平均20℃，每百米递减为0.54℃。所以很少有炎热酷暑之感，是避暑佳境。一月平均气温为一2℃，每百米递减为0.4℃，所以，即使是数九隆冬，也不十分寒冷。天柱山的雨量充沛，历年平均降水量高达1900毫米，季节分配极不均匀。地形雨相当普遍，一般以茶庄、马祖为界。有时山下阳光和煦，山上却是风飕飕、雨潇潇。有时一天之中变化不定，晴雨异常，特别在海拔800米以上地带，地形雨更为突出。
天柱山属皖河、潜水两大水系，山上的溪涧呈放射型特征，分别汇入潜水、皖河。潜水在天柱山范围内长56.7公里，历年最高水位达31.82米；最低水位28.1米。皖河常年水量为9.71亿立方米。峰值在六、七月份，月最大与最小之比有十倍之差。
天柱山是个博大的自然博物馆。三大土类、植被良好，茶庄、佝脚岭以上植被率达87%。呈垂直带谱分布。植物种类丰富，据不完全统计149科1000种以上。一、二级珍稀植物长势良好。天柱山同时还是动物的理想王国。常见动物不下数百种，珍禽异兽亦驻足于此。
天柱山的自然环境优越，以它的独特的景观与物种，给人以莫大的魅力。