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。