Firenzuola è uno dei Comuni più estesi della superstite Romagna toscana. Il suo territorio comunale si estende nella zona montana della valle del Santerno, al di là del crinale appenninico, giustificando la rima popolare per cui essa sarebbe il bel paese che il Santerno bagna, ove si parla tosco in terra di Romagna.

Il territorio è caratterizzato da una struttura geologica particolare dove in più punti emerge dal terreno la Formazione Marnoso Arenacea, oggetto di interesse accademico nazionale ed internazionale. Tra le altre particolarità geologiche della zona troviamo la formazione del Sasso di San Zanobi, sito in località Caburaccia, vicino al passo della Raticosa, intorno a cui è sorta la leggenda di San Zanobi.

Dal passo della Futa, ad una quota di 900 m slm, vi è la fonte del fiume Santerno che percorre l’omonima valle per poi confluire nel Reno di cui è il maggior affluente. Il territorio di Firenzuola è ricco di numerosi percorsi d’acqua che sfociano nel Santerno, richiamando ogni estate innumerevoli bagnanti che lo ritengono una variante preferibile al mare. Il fiume, nel suo tratto montano intermedio, in virtù della particolare copiosità delle portate, in particolare in primavera, del corso tortuoso, si presta molto bene come sede di gare canoistiche e, anzi, insieme al torrente Limentra Inferiore, al fiume Enza e al fiume Trebbia, è il principale corso d’acqua dell?Appennino settentrionale adibito a questo scopo.

Il clima, data la posizione e l'altitudine, è clima temperato ad estate tiepida anche se temperature e precipitazioni variano molto a secondo delle varie frazioni.
Le estati sono generalmente fresche, soprattutto nelle ore notturne, in qualsiasi località del comune; nelle ore diurne, invece, la temperatura può talvolta alzarsi sensibilmente in caso di venti di caduta provenienti dai rilievi appenninici.
Gli inverni sono rigidi, con temperature minime che possono scendere abbondantemente sotto lo zero tra dicembre e marzo; le precipitazioni nevose sono molto frequenti e talvolta anche abbondanti.
La stazione idrologica di Firenzuola, gestita attualmente dall'ARPA Emilia-Romagna, in data 8 gennaio 1985 registrò -26,0 °C, valore che risulta essere la temperatura minima assoluta ufficiale dell'intera Toscana di cui finora ci sia documentazione tra i vari enti meteorologici.